Magnetosfera

Članci o
Geofizici
Historija Istraživačka Opći pregled Računska
Elektricitet Grmljavinska oluja Ionosfera Munja Polarni vjetar
Dinamika fluida Atmosferske nauke Magnetohidrodinamika Okeanografija Turbulencija
Geodinamika Egzoplanetologija Geohemija Glaciologija Klima Planetologija Tektonika Tektonika ploča Vulkanizam Zemljin plašt
Gravitacija Fizička geodezija Geodezija Geoid
Magnetizam Geomagnetna inverzija Magnetosfera Paleomagnetizam Sunčev vjetar Zemljino magnetno polje
Talasi Seizmologija Spektroskopija Vibracija
Geofizičari Aki Alfvén Anderson Benioff Bowie Dziewoński Forbes Eötvös Gilbert Gutenberg Heiskanen Hotine Humboldt Jeffreys Kanamori Love Matthews McKenzie Mercalli Molodenski Munk Press Richter Turcotte Van Allen Vaníček Vening Meinesz Wegener Wilson
p r u

U astronomiji i planetologiji, magnetosfera je područje svemira koje okružuje astronomski objekt, poput planete ili drugog objekta, u kojem na nabijene čestice utječe magnetno polje tog objekta.^[1][2] Stvara je nebesko tijelo s aktivnim unutrašnjim dinamom.

U svemirskom okruženju blizu planetarnog tijela s dipolnim magnetnim poljem poput Zemlje, silnice nalikuju jednostavnom magnetnom dipolu. Dalje od njega silnice mogu biti znatno iskrivljene uslijed toka električno vodljive plazme, koju emituje Sunce (solarni vjetar) ili obližnja zvijezda.^[3][4] Planete s aktivnim magnetosferama, poput Zemlje, sposobni su ublažiti ili blokirati učinke Sunčevog ili kosmičkog zračenja.^[5] Interakcije čestica i atmosfera s magnetosferama proučavaju se u okviru specijaliziranih naučnih predmeta fizike plazme, svemirske fizike i aeronomije.

Proučavanje Zemljine magnetosfere počelo je 1600, kada je William Gilbert otkrio da magnetno polje na površini Zemlje nalikuje polju terele, male, magnetizirane kugle. U 1940-ima Walter M. Elsasser predložio je model teorije dinama, koja pripisuje Zemljino magnetno polje kretanju njenog željeznog vanjskog jezgra. Korištenjem magnetometara naučnici su mogli proučavati varijacije Zemljinog magnetnog polja kao funkcije vremena te geografske širine i dužine.

Krajem 1940-ih za proučavanje kosmičkih zraka korištene su rakete. Godine 1958. Explorer 1, prvi iz serije svemirskih misija Explorer, lansiran je kako bi proučavao intenzitet kosmičkih zraka iznad atmosfere i mjerio fluktuacije u toj aktivnosti. Ova misija posmatrala je postojanje Van Allenovog pojasa zračenja (smještenog u unutrašnjem području Zemljine magnetosfere), a Explorer 3 kasnije te godine definitivno je dokazao njegovo postojanje. Također tokom 1958. Eugene Parker predložio je ideju o solarnom vjetru, a termin magnetosfera predložio je Thomas Gold 1959. kako bi objasnio kako solarni vjetar djeluje na Zemljino magnetno polje. Kasnija misija Explorera 12 1961, predvođena Cahillovim i Amazeenovim opažanjima 1963. u vezi s naglim smanjenjem jačine magnetnog polja u blizini podnevnog meridijana, kasnije je nazvana magnetopauzom. Do 1983. International Cometary Explorer posmatrao je magnetni rep ili udaljeno magnetno polje.^[4]

Struktura magnetosferâ zavisi od nekoliko faktora: vrste astronomskog objekta, prirode izvora plazme i količine kretanja, perioda vrtnje objekta, prirode osi oko koje se objekt vrti, osi magnetnog dipola te veličine i smjera strujanja solarnog vjetra.

Planetarna udaljenost na kojoj magnetosfera može izdržati pritisak solarnog vjetra naziva se Chapman–Ferrarova udaljenost. Korisno se modelira formulom u kojoj ${\displaystyle R_{\rm {P}}}$ predstavlja poluprečnik planete, ${\displaystyle B_{\rm {povr}}}$ predstavlja magnetno polje na površini planete na ekvatoru, ${\displaystyle V_{\rm {SV}}}$ predstavlja brzinu solarnog vjetra, ${\displaystyle \rho }$ je gustoća čestica solarnog vjetra, a ${\displaystyle \mu _{0}}$ je konstanta permeabilnosti vakuuma:

${\displaystyle R_{\rm {CF}}=R_{\rm {P}}\left({\frac {B_{\rm {povr}}^{2}}{\mu _{0}\rho V_{\rm {SV}}^{2}}}\right)^{\frac {1}{6}}}$

Magnetosfera se klasifikuje kao "intrinzična" kada je ${\displaystyle R_{\rm {CF}}\gg R_{\rm {P}}}$ ili kada je primarna opozicija strujanju solarnog vjetra magnetno polje objekta. Merkur, Zemlja, Jupiter, Ganimed, Saturn, Uran i Neptun, naprimjer, ispoljavaju intrinzične magnetosfere. Magnetosfera se klasifikuje kao "inducirana" kada je ${\displaystyle R_{\rm {CF}}\ll R_{\rm {P}}}$ ili kada se solarnom vjetru ne suprotstavlja magnetno polje objekta. U ovom slučaju solarni vjetar uzajamno djeluje s atmosferom ili ionosferom planete (ili njenom površinom ako planeta nema atmosferu). Venera ima inducirano magnetno polje, što znači da, zbog toga što izgleda da Venera nema unutrašnji dinamo-efekt, jedino prisutno magnetno polje jest ono koje nastaje omotavanjem solarnog vjetra oko fizičke prepreke, tj. Venere (vidi Venerina inducirana magnetosfera). Kada je ${\displaystyle R_{\rm {CF}}\approx R_{\rm {P}}}$, doprinose i sama planeta i njeno magnetno polje. Moguće je da je Mars ovog tipa.^[6]

Gledano sa Sunca, orbitalno kretanje nebeskog tijela može malo komprimirati njegovu inače simetričnu magnetosferu i rastegnuti je u smjeru suprotnom od njegovog kretanja (u primjeru Zemlje, od zapada prema istoku). To je poznato kao asimetrija zore i sumraka.^[7][8][9]

Udarni front čini najudaljeniji sloj magnetosfere; granicu između nje i okolnog medija. Za zvijezde je to obično granica između zvjezdanog vjetra i međuzvjezdane materije; za planete se brzina solarnog vjetra tamo smanjuje kako se približava magnetopauzi.^[10] Zbog interakcija s udarnim frontom, plazma zvjezdanog vjetra stječe znatnu anizotropiju, što dovodi do raznih nestabilnosti plazme uzvodno i nizvodno od udarnog fronta.^[11]

Magnetni omot jest područje magnetosfere između udarnog fronta i magnetopauze. Uglavnom se formira od udarnog solarnog vjetra iako sadrži malu količinu plazme iz magnetosfere.^[12] To je područje koje pokazuje visoki energijski tok čestica, gdje smjer i magnituda magnetnog polja nepravilno variraju. To je uzrokovano nakupljanjem plina solarnog vjetra koji je efikasno prošao termalizaciju. Djeluje kao jastuk koji prenosi pritisak od strujanja solarnog vjetra i barijere magnetnog polja objekta.^[4]

Magnetopauza je područje magnetosfere gdje je pritisak planetarnog magnetnog polja uravnotežen s pritiskom solarnog vjetra.^[3] To je konvergencija udarnog solarnog vjetra iz magnetnog omota s magnetnim poljem objekta i plazmom iz magnetosfere. Budući da obje strane ove konvergencije sadrže magnetiziranu plazmu, interakcije među njima su složene. Struktura magnetopauze zavisi od Machovog broja i beta-omjera plazme, kao i od magnetnog polja.^[13] Magnetopauza mijenja veličinu i oblik kako pritisak solarnog vjetra fluktuira.^[14]

Nasuprot komprimiranom magnetnom polju stoji magnetni rep, gdje se magnetosfera proteže daleko izvan astronomskog objekta. Sadrži dvije izbočine, nazvane sjeverna i južna repna izbočina. Linije magnetnog polja u sjevernoj usmjerene su prema objektu, dok su one u južnoj usmjerene od objekta. Izbočine su gotovo prazne, s malo nabijenih čestica koje se suprotstavljaju strujanju solarnog vjetra, a odvojene su plazmatskim slojem, područjem gdje je magnetno polje slabije, a gustoća nabijenih čestica veća.^[15]

Iznad Zemljinog ekvatora silnice postaju gotovo horizontalne, a zatim se vraćaju kako bi se ponovo spojile na visokim geografskim širinama. Međutim, na velikim visinama, magnetno polje znatno je iskrivljeno solarnim vjetrom i njegovim solarnim magnetnim poljem. Na svijetloj strani Zemlje magnetno polje znatno je komprimirano solarnim vjetrom na udaljenost približno 65.000 km. Zemljin udarni front debeo je otprilike 17 km^[16] i smješten je 90.000 km od Zemlje.^[17] Magnetopauza postoji na udaljenosti nekoliko stotina kilometara iznad Zemljine površine. Zemljina magnetopauza uspoređena je sa sitom jer omogućuje ulazak čestica solarnog vjetra. Kelvin–Helmholtzove nestabilnosti nastaju kad veliki vrtlozi plazme putuju duž ruba magnetosfere brzinama različitim od njene brzine, uzrokujući da se plazma provuče. To rezultira magnetnom rekonekcijom, a kako se silnice prekidaju i ponovo spajaju, čestice solarnog vjetra mogu ući u magnetosferu.^[18] Na tamnoj strani Zemlje magnetno polje proteže se u magnetnom repu, koji po dužini prelazi 6.300.000 km.^[3] Zemljin magnetni rep primarni je izvor polarne svjetlosti.^[15] Također, NASA-ini naučnici sugerišu da bi Zemljin magnetni rep mogao uzrokovati "pješčane oluje" na Mjesecu stvaranjem potencijalne razlike između svijetle i tamne strane.^[19]

Mnogi astronomski objekti stvaraju i održavaju magnetosfere. U Sunčevom sistemu to uključuje Sunce, Merkur, Zemlju, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun^[20] i Ganimed. Jupiterova magnetosfera najveća je planetarna magnetosfera u Sunčevom sistemu, koja se proteže do 7.000.000 km na svijetloj strani i gotovo do Saturnove orbite na tamnoj.^[21] Jača je od Zemljine za red veličine, a njen magnetni moment otprilike je 18.000 puta veći.^[22] Venera, Mars i Pluton, s druge strane, nemaju intrinzično magnetno polje. To je moglo znatno utjecati na njihovu geološku historiju. Pretpostavlja se da su Venera i Mars možda izgubili svoju primordijalnu vodu zbog fotolize i solarnog vjetra. Jaka magnetosfera, da je prisutna, uveliko bi usporila taj proces.^[20][23]

Smatra se da su magnetosfere koje stvaraju egzoplanete uobičajene iako prva otkrića potječu tek iz 2010-ih. Godine 2014. magnetno polje oko HD 209458 b utvrđeno je iz načina na koji je vodik isparavao s planete.^[25][26] Godine 2019. procijenjena je jačina površinskih magnetnih polja četiri vruća Jupitera i kretala se između 20 i 120 gausa u poređenju s Jupiterovim površinskim magnetnim poljem od 4,3 gausa.^[27][28] Godine 2020. otkrivena je emisija radiotalasa u pojasu 14–30 MHz iz sistema Tau Boötis, vjerovatno povezana s ciklotronskim zračenjem s polova Tau Boötisa b, što bi mogao biti znak planetarnog magnetnog polja.^[29][30] Godine 2021. magnetno polje koje generira vrući Neptun HAT-P-11b postalo je prvo koje je potvrđeno.^[31] Prvo nepotvrđeno otkrivanje magnetnog polja koje je stvorila zemaljska egzoplaneta dogodilo se 2023. na YZ Ceti b.^{[32][33][34][35]}

• Klaster-misija za trodimenzionalno mjerenje Zemljinog magnetnog polja (en)
• A Beginner's Guide to the Earth's Magnetosphere na Wayback Machine (archived 9. 5. 2007.)
• The Magnetopause na Wayback Machine (archived 15. 2. 2013.)
• Die Magnetosphäre der Erde, Institut "Max Planck" za istraživanje Sunčevog sistema, maj 2005. na Wayback Machine (archived 26. 11. 2013.)