Магнітосфера Юпітера

Більша частина магнітного поля Юпітера, подібно до земного, генерується внутрішнім динамо, що підтримується циркуляцією електропровідної рідини в зовнішньому ядрі. Але в той час як земне ядро складається з розплавленого заліза й нікелю, ядро Юпітера складається з металічного водню[4]. Подібно до земного, магнітне поле Юпітера є переважно диполем, з північним і південним магнітними полюсами на протилежних кінцях магнітної осі[3]. Однак на Юпітері північний і південний магнітні полюси диполя лежать в однойменних півкулях планети, у той час як на Землі, навпаки, північний магнітний полюс диполя розташований у південній півкулі, а південний — у північній[11][note 1]. Магнітне поле Юпітера містить і вищі мультипольні компоненти — квадрупольну, октупольну і т. д., але вони як мінімум на порядок слабші від дипольної компоненти[3].

Диполь нахилений приблизно на 10° відносно осі обертання Юпітера; цей нахил близький до земного (11,3°)[1][3]. Екваторіальна індукція магнітного поля становить близько 428 мкТл (4,28 Гс, приблизно в 10 разів більше від земної), що відповідає магнітному моменту диполя близько 1,53×10²⁰ Тл·м³ (у 18 000 разів більше від земного)[4][note 2]. Магнітне поле Юпітера обертається з тією ж кутовою швидкістю, що й область під атмосферою, з періодом 9 год 55 хв. Ніяких помітних змін у потужності чи структурі не спостерігалося з моменту перших вимірювань «Піонера-10» в середині 1970-х[note 3].

Внутрішнє магнітне поле Юпітера створює перешкоду на шляху сонячного вітру, потоку іонізованих частинок, що виходять із верхньої сонячної атмосфери, заважаючи потокам іонів досягати атмосфери Юпітера, відхиляючи їх від планети і створюючи своєрідну порожнину в сонячному вітрі, що називається магнітосферою, яка складається з плазми, що відрізняється від плазми сонячного вітру[6]. Магнітосфера Юпітера настільки велика, що якщо в ній розмістити Сонце навіть з його видимою короною, то там все одно залишиться достатньо простору[12]. Якщо б її можна було спостерігати з Землі, вона б займала на небі простір у п'ять з лишком разів більший повного місяця, незважаючи на те, що Юпітер розташовується більш ніж у 1700 разів далі від Місяця[12].

Як і у випадку з земною магнітосферою, межа, що розділяє щільнішу й холоднішу плазму сонячного вітру від гарячішої та менш щільної в магнітосфері Юпітера, називається магнітопаузою[6]. Відстань між магнітопаузою та центром планети становить від 45 до 100 R_J (де R_J = 71 492 км — радіус Юпітера) на підсонячній точці — нефіксованій точці на поверхні планети, де Сонце буде перебувати безпосередньо над спостерігачем[6]. Положення магнітопаузи залежить від тиску, що чинить сонячний вітер, який, в свою чергу, залежить від рівня сонячної активності[13]. Перед магнітопаузою (на відстані від 80 до 130 R_J від центра планети) розташовується головна ударна хвиля, хвилеподібне збурення в сонячному вітрі, викликане його зіткненням з магнітосферою[14][15]. Область між магнітопаузою та головною ударною хвилею називається магнітним перехідним шаром, або магнітошаром[6].

Схематичне зображення магнітосфери, де плазмосфера (7) повернута до тора з плазми та магнітошару.

За нічною стороною планети сонячний вітер витягує лінії магнітного поля Юпітера в довгий, витягнутий хвіст магнітосфери, який часом витягується навіть за орбіту Сатурна.[16] За своєю структурою хвіст магнітосфери Юпітера нагадує земний. Він складається з двох «пелюсток» (області, відмічені блакитним на схемі). Магнітне поле у південній пелюстці направлене в бік Юпітера, а у північній — від нього. Пелюстки розділені тонким прошарком плазми, що називається хвостовим струмовим шаром (витягнута оранжева зона на схемі)[16]. Як і земний, юпітеріанський магнітосферний хвіст — це канал, через який сонячна плазма потрапляє у внутрішні регіони магнітосфери, де нагрівається та формує радіаційні пояси на відстані менш ніж 10 R_J від Юпітера[17].

Форма магнітосфери Юпітера, описана вище, підтримується 1) нейтральним струмовим шаром (також відомим як магнітохвостовий струм), який тече в напрямку обертання Юпітера через хвостовий плазмовий шар, 2) потоками плазми всередині хвоста, що течуть проти обертання Юпітера на зовнішній межі хвоста магнітосфери, і 3) магнітопаузними струмами (або струмами Чапмана — Ферраро), які течуть проти обертання планети на денній стороні магнітопаузи[11]. Ці струми створюють магнітне поле, яке обнуляє (компенсує) внутрішнє поле Юпітера за межами магнітосфери[16]. Вони також активно взаємодіють із сонячним вітром[11].

Традиційно магнітосферу Юпітера поділяють на три частини: внутрішню, середню та зовнішню магнітосферу. Внутрішня лежить на відстані до 10 R_J від центра планети. Магнітне поле всередині неї є переважно диполем, тому що внесок від струмів, що проходять через екваторіальний плазмовий шар, тут дуже незначний. В середній (між 10 і 40 R_J) та зовнішній (далі 40 R_J) магнітосфері магнітне поле відхиляється від дипольної структури та серйозно збурюється дією плазмового шару (див. нижче розділ Магнітний диск)[6].

Взаємодія Іо з магнітосферою Юпітера. Плазмовий тор Іо виділений жовтим.

Хоча в цілому магнітосфера Юпітера нагадує за формою земну, поблизу від планети їхні структури сильно відрізняються[13]. Іо, вулканічно активний супутник Юпітера, є потужним джерелом плазми та щосекунди поповняє магнітосферу Юпітера ~1000 кг нової речовини[7]. Сильні вулканічні виверження на Іо підіймають у відкритий космос сірчистий газ, більша частина якого дисоціює на атоми та іонізується сонячною ультрафіолетовою радіацією. В результаті утворюються іони сірки та кисню: S⁺, O⁺, S²⁺ і O²⁺[18]. Ці іони залишають атмосферу супутника, формуючи плазмовий тор Іо: масивне та відносно холодне кільце з плазми, яке оточує Юпітер вздовж орбіти супутника[7]. Температура плазми всередині тора досягає 10—100 еВ (100 000—1 000 000 К), що набагато нижче, ніж енергія частинок у радіаційних поясах — 10 кеВ (100 млн К). «Вморожене» у плазму всередині тора магнітне поле Юпітера спричиняє її обертання з тим же періодом, що і сам Юпітер[19] (таке синхронне обертання називається коротацією). Тор Іо сильно впливає на динаміку всієї магнітосфери Юпітера[20].

В результаті кількох процесів, серед яких головну роль відіграють дифузія та обмінна нестійкість, плазма повільно залишає околи планети[19]. Коли плазма віддаляється від Юпітера, радіальні струми, що протікають крізь неї, поступово збільшують свою швидкість, підтримуючи коротацію[6]. Ці радіальні струми також є джерелом азимутальної компоненти магнітного поля, яка в результаті прогинається назад відносно напрямку обертання[21]. Концентрація частинок у плазмі зменшується з 2000 см⁻³ в торі Іо до близько 0,2 см⁻³ на відстані 35 R_J[22]. В середній магнітосфері, на відстані понад 20 R_J від Юпітера, коротація поступово припиняється, і плазма обертається повільніше, ніж планета[6]. Нарешті, на відстані понад 40 R_J (у зовнішній магнітосфері) плазма остаточно залишає магнітне поле та виходить у міжпланетний простір через хвіст магнітосфери[23]. Рухаючись назовні, холодна та щільна плазма міняється місцями з гарячою розрідженою плазмою (з температурою 20 кеВ (200 млн K) чи вище), що рухається з зовнішньої магнітосфери[22]. Ця плазма, наближаючись до Юпітера та стискаючись, адіабатично нагрівається[24], формуючи радіаційні пояси у внутрішній магнітосфері[7].

На відміну від магнітного поля Землі, що має приблизно краплеподібну форму, поле Юпітера більш сплющене, більше нагадує диск і періодично гойдається відносно осі[25]. Головною причиною такої дископодібної конфігурації є відцентрова сила, що викликається коротацією плазми та магнітного поля, а також тепловим тиском гарячої плазми. Обидва явища призводять до розтягування ліній магнітного поля, формуючи на відстані понад 20 R_J від планети сплющену, бліноподібну структуру, відому як «магнітний диск»[6][26]. У середній площині, приблизно поблизу магнітного екватора, цей диск містить тонкий струмовий шар[18]. Лінії магнітного поля направлені від Юпітера над цим шаром і до Юпітера — під ним[13]. Плазма, що надходить від Іо, значно збільшує розміри магнітосфери Юпітера, оскільки магнітний диск створює додатковий внутрішній тиск, який врівноважує тиск сонячного вітру[14]. Відстань від планети до магнітопаузи у «підсонячній точці», яка дорівнює в середньому 75 R_J, за відсутності Іо зменшилася б до 43 R_J[6].

Магнітне поле Юпітера та ротація струмів

Основним рушієм магнітосфери Юпітера є процес обертання планети[27]. В цьому відношенні Юпітер схожий на пристрій, що називається уніполярним генератором. Коли Юпітер обертається, його іоносфера рухається відносно дипольного магнітного поля планети. Оскільки дипольний магнітний момент вказує в напрямку обертання[11], сила Лоренца, яка виникає в результаті цього руху, переміщує негативно заряджені електрони до полюсів, а позитивно заряджені іони — до екватора[28]. Як результат, полюси стають негативно зарядженими а регіони, близькі до екватора, — позитивно. Оскільки магнітосфера Юпітера наповнена високопровідною плазмою, електричне коло замикається через неї[28]. Струм, що називається постійним[note 4] тече вздовж ліній магнітного поля з іоносфери в екваторіальний плазмовий шар. Потім струм радіально поширюється від планети всередині екваторіального плазмового шару і зрештою повертається в планетарну іоносферу з зовнішніх областей магнітосфери по силових лініях, з'єднаних із полюсами. Струми, які рахуються вздовж силових ліній магнітного поля зазвичай називають струмами Біркеланда[21]. Радіальні струми взаємодіють з магнітним полем планети, і сила Лоренца, що утворюється при цьому, прискорює магнітосферну плазму у напрямку планетарного обертання. Це головний механізм, який підтримує ротацію плазми в магнітосфері Юпітера[28].

Струм, що протікає з іоносфери у плазмовий шар, особливо сильний, коли відповідна частина плазмового шару обертається повільніше, ніж планета[28]. Ротація погіршується в регіоні між 20 і 40 R_J від Юпітера. Цей регіон відповідає магнітодиску, де магнітне поле сильно розтягнуте[29]. Сильний постійний струм у магнітодиску утворюється в строго визначеному діапазоні широт близько 16 ± 1° від магнітних полюсів Юпітера. Ці вузькі регіони відповідають головним овалам полярних сяйв Юпітера. (див. нижче.)[30] Обернений струм, що протікає із зовнішньої магнітосфери в районі 50 R_J входить в іоносферу Юпітера неподалік від полюсів, і замикає електричне коло. Повний радіальний струм оцінюється від 60 до 140 мільйонів ампер[21][28].

Прискорення плазми в ході ротації призводить до перетворення енергії обертання Юпітера в кінетичну енергію плазми[6][20]. У цьому смислі, магнітосфера Юпітера підтримується обертанням планети, в той час як земна переважно підтримується сонячним вітром[20].

Головна проблема у розшифровці динаміки магнітосфери Юпітера полягає в тому, як відбувається передача важкої холодної плазми з тора Іо на дистанції 6 R_J у зовнішню магнітосферу на дистанції 50 R_J[29]. Точний механізм такої передачі достовірно не відомий, але гіпотетично це може бути результатом дифузії плазми в результаті переставної нестійкості плазми. Процес нагадує нестійкість Релея — Тейлора в гідродинаміці[19]. У випадку з магнітосферою Юпітера, відцентрова сила відіграє роль сили тяжіння; роль важкої рідини відіграє холодна і щільна плазма з Іо, роль легкої рідини відіграє гаряча та менш щільна плазма із зовнішньої магнітосфери[19]. Переставна нестійкість плазми призводить до обміну між внутрішніми та зовнішніми частинами магнітосфери трубками силових ліній наповнених плазмою. Порожні трубки рухаються в бік планети, в той час як наповнені плазмою з Іо, віддаляються від Юпітера[19]. Цей взаємний обмін трубками силових ліній викликає своєрідну магнітосферну турбулентність[31].

Магнітосфера Юпітера так, як її видно над північним полюсом[32]

Ця суто гіпотетична теорія обміну трубками силових ліній частково підтвердилася при прольоті «Галілео», який виявив регіони з пониженою щільністю плазми та збільшення напруженості поля у внутрішній магнітосфері[19]. Ці пустоти можуть відповідати практично порожнім трубкам силових ліній, що прибувають із зовнішньої магнітосфери. У середній магнітосфері, «Галілео» зафіксував явище, яке відбувається коли гаряча плазма з зовнішньої магнітосфери зіштовхується з магнітодиском, що призводить до збільшення потоку високоенергетичних частинок і укріплює магнітне поле[33]. Однак механізм, що переносить холодну плазму назовні поки що невідомий.

Коли трубки силових ліній наповнені холодною плазмою з Іо досягають зовнішньої магнітосфери, вони проходять через процес перезамикання силових ліній, який відділяє магнітне поле від плазми[29]. Потім вона повертається через внутрішню магнітосферу в трубках силових ліній, повних гарячої та менш щільної плазми, а остання, мабуть, викидається у хвіст магнітосфери у формі плазмоїдів — великих згустків плазми. Процес перезамикання силових ліній може відповідати глобальним явищам «реконфігурування» які спостерігав КА «Галілео», та які відбувалися регулярно кожні 2—3 дні[34]. Явище реконфігурації охоплювало швидку та хаотичну зміну напруженості магнітного поля та його напрямку, а також різкі зміни в русі плазми, яка припиняла ротацію та витікала назовні. В основному явище спостерігалося у світанковому секторі нічної магнітосфери[34]. Плазма тече по відкритих силових лініях вздовж хвоста магнітосфери і це називається «планетарним вітром»[18][35].

Явище перезамикання силових ліній є аналогом земних магнітних суббурь в магнітосфері[29]. Відмінність полягає в тому, що: земні суббурі передають накопичену від сонячного вітру енергію в магнітний хвіст і вивільняють її через явище перез'єднання в шарі з нейтральних струмів у хвості магнітосфери. Пізніше формується плазмоїд, який рухається вздовж хвоста[36]. А в магнітосфері Юпітера енергія обертання зберігається в магнітодиску та вивільняється у вигляді плазмоїдів, що відділяються від диска[34].

В той час як динаміка магнітосфери Юпітера переважно залежить від внутрішніх джерел енергії, сонячний вітер відіграє другорядну роль[37], переважно як джерело високоенергетичних протонів[note 5][7]. Структура зовнішньої магнітосфери демонструє деякі явища, властиві магнітосфері, яка формується сонячним вітром, включаючи виражену ранково-вечірню асиметрію[21]. Зокрема, магнітні лінії у вечірньому секторі нахилені в протилежний бік відносно ранкового[21]. Крім цього, в ранковій магнітосфері є відкриті силові лінії, з'єднані з магнітним хвостом, в той час як у вечірній магнітосфері, силові лінії закриті[16]. Ці спостереження вказують на те, що процес перезамикання силових ліній, викликаний сонячним вітром, і відомий на Землі як цикл Дангі, може також відбуватися і в магнітосфері Юпітера[29][37].

Ступінь впливу сонячного вітру на магнітосферу Юпітера наразі невідома[38]; однак він може бути особливо сильним у періоди підвищеної сонячної активності[39]. Радіо[5], оптичне та рентгенівське випромінювання полярних сяйв[40], так же, як і синхротронне випромінювання радіаційних поясів, корелюють із тиском сонячного вітру; а отже, сонячний вітер може впливати на рух плазми і навіть регулювати внутрішні процеси в магнітосфері[34].

Зображення полярних сяйв Юпітера, показані основні овали полярних сяйв, полярне випромінювання, та «плями», створені природними супутниками Юпітера.

На Юпітері постійно в районі обох полюсів відбуваються яскраві полярні сяйва. На відміну від земних полярних сяйв, які минають швидко і відбуваються лише під час підвищеної сонячної активності, полярні сяйва Юпітера постійні, хоча їхня інтенсивність змінюється з часом. Вони складаються з трьох головних компонентів: основних овалів, яскравих, відносно вузьких (менше 1000 км у ширину) кругоподібних утворень, що простягаються на близько 16° від магнітних полюсів[41]; полярних плям від природних супутників планети, які відповідають слідам магнітних силових ліній, що пов'язують іоносферу Юпітера з найбільшими супутниками, і короткочасних викидів полярного випромінювання в районі основного овалу[41][42]. Випромінювання полярних сяйв Юпітера було виявлене у всіх частинах електромагнітного спектра — від радіовипромінювання до рентгенівського (аж до 3 кеВ), найяскравіше вони випромінюють у середньому інфрачервоному (довжина хвилі 3—4 мкм і 7—14 мкм) і в дальньому ультрафіолетовому спектральних регіонах (довжина хвилі 80—180 нм)[9].

Основні овали — головна складова полярних сяйв Юпітера. У них стабільна форма та розташування[42], але їхня інтенсивність сильно залежить від тиску сонячного вітру: чим сильніший сонячний вітер, тим слабші сяйва[43]. Основні овали підтримуються сильним надходженням електронів, прискорених електричним потенціалом плазми з магнітодиска та іоносфери Юпітера[44]. Ці електрони несуть із собою струми Біркеланда, які підтримують ротацію плазми в магнітодиску[29]. Електричний потенціал припиняє рости тому, що розріджена плазма ззовні екваторіального шару може без цих струмів переносити лише струм обмеженої сили[30]. Електрони мають енергію в діапазоні 10—100 кеВ і проникають глибоко в атмосферу Юпітера, де вони іонізують та збуджують молекулярний водень, викликаючи ультрафіолетове випромінювання[45]. Повна енергія, що надходить в іоносферу, становить від 10 до 100 ТВт[46]. Струми, що протікають через іоносферу, нагрівають її в ході процесу, який називається «джоулевим нагріванням». Цей процес, що виробляє до 300 ТВт енергії, відповідає за сильне інфрачервоне випромінювання від полярних сяйв Юпітера та частково за нагрівання термосфери Юпітера[47].

Так звані «плями» були виявлені у відповідності з трьома галілеєвими супутниками: Іо, Європа та Ганімед[note 6][48]. Вони помітні через те, що ротація плазми сповільнюється безпосередньо біля супутників. Найяскравіша пляма належить Іо, основному джерелу плазми в магнітосфері (див. вище). Пляма Іо, ймовірно, пов'язана з альвенівськими хвилями, що йдуть від іоносфери Юпітера в іоносферу Іо. Плями Європи та Ганімеда набагато слабші, тому що ці супутники є слабкими джерелами плазми, через випаровування водяного льоду з їхніх поверхонь[49].

Яскраві дуги та плями час від часу з'являються всередині основних овалів. Ці короткочасні явища пов'язують із взаємодією з сонячним вітром[42]. Силові лінії магнітного поля в цьому регіоні або відкриті або відображаються на хвості магнітосфери[42]. Вторинні овали, що спостерігаються всередині основних, можуть відноситися до границі між відкритими та закритими силовими лініями магнітного поля або до полярних «каспів»[51]. Випромінювання полярних сяйв Юпітера нагадує ті, що виникають навколо земних полюсів: і ті й інші з'являються коли електрони, прискорені в напрямку планети, проходять процес перезамикання магнітних силових ліній Сонця з планетарними[29]. Регіони в межах основних овалів випромінюють немало рентгенівського випромінювання. У спектрі рентгенівського полярного випромінювання є спектральні лінії сильно іонізованого кисню та сірки, які мабуть з'являються, коли високоенергетичні (сотні кілоелектронвольт) S і O іони осідають в полярну атмосферу Юпітера. Причина цього осідання залишається поки що невідомою[40].

Юпітер — потужне джерело радіохвиль в діапазоні від кількох кілогерц до десятків мегагерц. Радіохвилі з частотами менше ніж близько 0,3 МГц (а отже з довжиною хвиль понад 1 км) називають юпітеріанським кілометровим випромінюванням (скорочено англ. KOM). Радіохвилі в діапазоні від 0,3 до 3 МГц (з довжиною хвиль від 100 до 1000 м) називають гектометровим випромінюванням (скорочено англ. HOM), а випромінювання між 3 і 40 МГц (з довжиною хвиль від 10 до 100 м) називають декаметровим випромінюванням (скорочено англ. DAM). Радіовипромінювання з періодичністю приблизно 10 годин, яке вперше спостерігалося з космосу на Землі, належало Юпітеру. Найсильніша ділянка декаметрового випромінювання, яке стосується Іо та системи струмів Іо — Юпітер, називається скорочено англ. Io-DAM[52][note 7].

Спектр радіовипромінювання Юпітера у співвідношенні зі спектром чотирьох інших намагнічених планет, де (N, T, S, U) означає (Нептун, Земля, Сатурн і Уран) а KR означає кілометрову радіацію.

Більшість цього випромінювання, ймовірно, створюється за рахунок механізму, який називається «циклотронною мазерною нестійкістю», і який можна спостерігати поблизу регіонів полярних сяйв, коли електрони переміщуються між полюсами. Електрони залучені в генерацію радіохвиль, можливо ті ж самі, що переносять струми з полюсів планети в магнітодиск[53]. Інтенсивність радіовипромінювання Юпітера зазвичай плавно змінюється з часом; однак, Юпітер періодично випромінює короткі та потужні сплески випромінювання (S-сплески), які можуть перевищувати інші компоненти. Повна випромінювальна здатність «DAM»-компонента становить близько 100 ГВт, сукупна для HOM/KOM компонентів — близько 10 ГВт. Для порівняння, сукупна потужність радіовипромінювання з Землі становить лише 0,1 ГВт[52].

Радіо-, та корпускулярне випромінювання Юпітера строго прив'язане до обертання планети, що робить планету дещо схожою на пульсар[54]. Періодичність модуляцій, ймовірно, прив'язана до асиметрії в магнітосфері Юпітера, а та в свою чергу пов'язана з нахилом магнітного моменту відносно осі обертання планети та з високоширотними магнітними аномаліями. Фізика, яка керує сплесками в радіовипромінюванні Юпітера, схожа на таку ж у пульсарів. Відрізняються лише масштаби, і тому Юпітер нерідко вважають дуже невеликим пульсаром[54]. Помічено, що сплески в радіовипромінюванні Юпітера також пов'язані з підвищенням сонячної активності[52].

На додаток до відносно довгохвильового радіовипромінювання, Юпітер також випромінює синхротронне випромінювання (також відоме як дециметрове випромінювання Юпітера, або англ. DIM) на частотах 0,1—15 ГГц (довжина хвиль від 3 м до 2 см)[55], яке є гальмівним випромінюванням релятивістських електронів, захоплених у внутрішні радіаційні пояси планети. Енергія електронів, що супроводжують «DIM»-випромінювання, дорівнює 0,1—100 меВ[56], а головний внесок у нього роблять електрони з енергією від 1 до 20 меВ[8]. Це випромінювання, добре зрозуміле та вивчене, використовувалося з початку 1960-х років для вивчення структури планетарного магнітного поля та радіаційних поясів[57]. Частинки в радіаційних поясах походять із зовнішньої магнітосфери та адіабатично прискорюються, коли потрапляють у внутрішню[24].

Магнітосфера Юпітера викидає потоки з високоенергетичних електронів та іонів (з енергією до десятків меВ), які досягають земної орбіти[58]. Ці потоки частинок високо колімовані та відрізняються залежно від періоду обертання планети як і радіовипромінювання. У цьому відношенні Юпітер також нагадує пульсар[54].