Магнитосфера Юпитера

Большая часть юпитерианского магнитного поля, подобно земному, генерируется внутренним динамо, поддерживаемым циркуляцией электропроводной жидкости во внешнем ядре. Но в то время как земное ядро состоит из расплавленного железа и никеля, ядро Юпитера состоит из металлического водорода[4]. Подобно земному, юпитерианское магнитное поле представляет собой главным образом диполь, с северным и южным магнитными полюсами на противоположных концах магнитной оси[3]. Однако на Юпитере северный и южный магнитные полюса диполя лежат в одноимённых полушариях планеты, тогда как в случае Земли, напротив, северный магнитный полюс диполя расположен в южном полушарии, а южный — в северном[11][note 1]. Магнитное поле Юпитера содержит и более высокие мультипольные компоненты — квадрупольную, октупольную и т. д., но они как минимум на порядок слабее дипольной компоненты[3].

Диполь наклонён примерно на 10° относительно оси вращения Юпитера; это наклонение близко к земному (11,3°)[1][3]. Экваториальная индукция магнитного поля составляет примерно 428 мкТл (4,28 Гс, примерно в 10 раз больше земного), что соответствует магнитному моменту диполя около 1,53⋅10²⁰ Тл·м³ (в 18 000 раз больше земного)[4][note 2]. Юпитерианское магнитное поле вращается с той же угловой скоростью, что и область под атмосферой, с периодом в 9 ч 55 м. Никаких заметных изменений в мощности или структуре не наблюдалось с момента первых измерений «Пионера-10» в середине 1970-х[note 3].

Внутреннее магнитное поле Юпитера создаёт препятствие на пути солнечного ветра, потока ионизированных частиц, истекающих из верхней солнечной атмосферы, мешая потокам ионов достигать атмосферы Юпитера, отклоняя их от планеты и создавая своего рода полость в солнечном ветре, называемую магнитосферой, которая состоит из плазмы, отличающейся от плазмы солнечного ветра[6]. Юпитерианская магнитосфера настолько велика, что если в ней разместить Солнце даже с его видимой короной, то там всё равно останется достаточно пространства[12]. Если бы её можно было наблюдать с Земли, она бы занимала на небе пространство в пять с лишним раз большее полной луны, несмотря на то, что Юпитер находится более чем в 1700 раз дальше Луны[12].

Как и в случае с земной магнитосферой, граница, разделяющая более плотную и холодную плазму солнечного ветра от более горячей и менее плотной в магнитосфере Юпитера, называется магнитопаузой[6]. Расстояние между магнитопаузой и центром планеты составляет от 45 до 100 R_J (где R_J = 71 492 км — радиус Юпитера) на подсолнечной точке — нефиксированной точке на поверхности планеты, где Солнце будет находиться непосредственно над наблюдателем[6]. Положение магнитопаузы зависит от давления, оказываемого солнечным ветром, которое, в свою очередь, зависит от уровня солнечной активности[13]. Перед магнитопаузой (на расстоянии от 80 до 130 R_J от центра планеты) находится головная ударная волна, волнообразное возмущение в солнечном ветре, вызываемое его столкновением с магнитосферой[14][15]. Область между магнитопаузой и головной ударной волной именуется магнитным переходным слоем, или магнитослоем[6].

Схематическое представление магнитосферы, где плазмосфера (7) обращена к тору из плазмы и магнитослою.

За ночной стороной планеты солнечный ветер вытягивает линии магнитного поля Юпитера в длинный, вытянутый хвост магнитосферы, который порою вытягивается даже за орбиту Сатурна.[16] По своей структуре хвост юпитерианской магнитосферы напоминает земной. Он состоит из двух «лепестков» (области, отмеченные голубым на схеме). Магнитное поле в южном лепестке направлено в сторону Юпитера, а в северном — от него. Лепестки разделены тонкой прослойкой плазмы, называющейся хвостовым токовым слоем (вытянутая оранжевая зона на схеме)[16]. Как и земной, юпитерианский магнитосферный хвост — это канал, через который солнечная плазма попадает во внутренние регионы магнитосферы, где нагревается и формирует радиационные пояса на расстоянии менее чем 10 R_J от Юпитера[17].

Форма магнитосферы Юпитера, описанная выше, поддерживается:

1. нейтральным токовым слоем (также известным как магнитохвостовой ток), который течёт в направлении вращения Юпитера через хвостовой плазменный слой,
2. потоками плазмы внутри хвоста, текущими против вращения Юпитера на внешней границе хвоста магнитосферы, и
3. магнитопаузными токами (или токами Чапмана — Ферраро), которые текут против вращения планеты на дневной стороне магнитопаузы[11]. Эти токи создают магнитное поле, которое обнуляет (компенсирует) внутреннее поле Юпитера за пределами магнитосферы[16]. Они также активно взаимодействуют с солнечным ветром[11].

Традиционно магнитосферу Юпитера делят на три части: внутреннюю, среднюю и внешнею магнитосферу. Внутренняя лежит на расстоянии до 10 R_J от центра планеты. Магнитное поле внутри неё представляет собой преимущественно диполь, потому что вклад от токов, проходящих через экваториальный плазменный слой, здесь весьма незначителен. В средней (между 10 и 40 R_J) и внешней (далее 40 R_J) магнитосфере магнитное поле отклоняется от дипольной структуры и серьёзно возмущается воздействием плазменного слоя (см. ниже раздел Магнитный диск)[6].

Взаимодействие Ио с магнитосферой Юпитера. Плазменный тор Ио выделен жёлтым.

Хотя в целом магнитосфера Юпитера напоминает формой земную, вблизи от планеты их структуры сильно отличаются[13]. Ио, вулканически активный спутник Юпитера, является мощным источником плазмы и ежесекундно пополняет магнитосферу Юпитера ~1000 кг нового вещества[7]. Сильные вулканические извержения на Ио поднимают в открытый космос сернистый газ, бо́льшая часть которого диссоциируется на атомы и ионизируется солнечной ультрафиолетовой радиацией. В результате образуются ионы серы и кислорода: S⁺, O⁺, S²⁺ и O²⁺[18]. Эти ионы покидают атмосферу спутника, формируя плазменный тор Ио: массивное и относительно холодное кольцо из плазмы, окружающее Юпитер вдоль орбиты спутника[7]. Температура плазмы внутри тора достигает 10—100 эВ (100 000—1 000 000 К), что намного ниже, чем энергия частиц в радиационных поясах — 10 кэВ (100 млн К). Плазма внутри тора приводится «вмороженным» в неё магнитным полем Юпитера во вращение с тем же периодом, что и сам Юпитер[19] (такое синхронное вращение называется коротацией). Тор Ио оказывает значимое воздействие на динамику всей магнитосферы Юпитера[20].

В результате нескольких процессов, среди которых главную роль играют диффузия и обменная неустойчивость, плазма медленно покидает окрестности планеты[19]. Когда плазма удаляется от Юпитера, радиальные токи, протекающие сквозь неё, постепенно увеличивают свою скорость, поддерживая коротацию[6]. Эти радиальные токи также служат источником азимутальной компоненты магнитного поля, которая в результате прогибается назад относительно направления вращения[21][21]. Концентрация частиц в плазме уменьшается с 2000 см⁻³ в торе Ио до примерно 0,2 см⁻³ на расстоянии в 35 R_J[22]. В средней магнитосфере, на расстоянии более чем в 20 R_J от Юпитера, коротация постепенно прекращается, и плазма вращается медленнее, чем планета[6]. В конечном счёте, на расстоянии в более чем 40 R_J (во внешней магнитосфере) плазма окончательно покидает магнитное поле и уходит в межпланетное пространство через хвост магнитосферы[23]. Двигаясь наружу, холодная и плотная плазма меняется местами с горячей разреженной плазмой (с температурой в 20 кэВ (200 млн K) или выше), двигающейся из внешней магнитосферы[22]. Эта плазма, приближаясь к Юпитеру и сжимаясь, адиабатически нагревается[24], формируя радиационные пояса во внутренней магнитосфере[7].

В отличие от магнитного поля Земли, имеющего приблизительно каплеобразную форму, поле Юпитера более сплющено, больше напоминает диск и периодически качается относительно оси[25]. Основной причиной такой дискообразной конфигурации служит центробежная сила, вызываемая коротацией плазмы и магнитного поля, а также тепловым давлением горячей плазмы. Оба явления приводят к растяжению линий магнитного поля, формируя на расстоянии свыше 20 R_J от планеты сплющенную, блинообразную структуру, известную под названием «магнитный диск»[6][26]. В средней плоскости, примерно вблизи магнитного экватора, этот диск содержит тонкий токовый слой.[18] Линии магнитного поля направлены от Юпитера над этим слоем и к Юпитеру — под ним[13]. Плазма, поступающая от Ио, значительно увеличивает размеры магнитосферы Юпитера, поскольку магнитный диск создаёт дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра[14]. Расстояние от планеты до магнитопаузы в «подсолнечной точке», равное в среднем 75 R_J, в отсутствие Ио уменьшилось бы до 43 R_J[6].

Магнитное поле Юпитера и ротация токов

Основным движителем магнитосферы Юпитера служит процесс вращения планеты.[27] В этом отношении Юпитер похож на устройство под названием униполярный генератор. Когда Юпитер вращается, его ионосфера движется относительно дипольного магнитного поля планеты. Так как дипольный магнитный момент указывает в направлении вращения,[11]сила Лоренца, которая появляется в результате этого движения, движет отрицательно заряженные электроны к полюсам, а позитивно заряженные ионы движет к экватору.[28] Как результат, полюса становятся негативно заряженными а регионы близкие к экватору заряженными позитивно. Так как магнитосфера Юпитера наполнена высоко-проводящей плазмой, электрическая цепь замыкается через неё.[28] Ток называемый постоянным[note 4] течет вдоль линий магнитного поля из ионосферы в экваториальный плазменный слой. Затем ток радиально распространяется от планеты внутри экваториального плазменного слоя и в конце концов возвращается в планетарную ионосферу из внешних областей магнитосферы по силовым линиям соединенным с полюсами. Токи которые двигаются вдоль силовых линий магнитного поля обычно называют токами Биркеланда.[21] Радиальные токи взаимодействуют с магнитным полем планеты, и рождающаяся в процессе сила Лоренца ускоряют магнитосферную плазму в направлении планетарного вращения. Это основной механизм который поддерживает ротацию плазмы в Юпитерианской магнитосфере.[28]

Ток протекающий из ионосферы в плазменный слой особо силен, когда соответствующая часть плазменного слоя вращается медленнее чем планета.[28] Ротация, ухудшается в регионе между 20 и 40 R_J от Юпитера. Этот регион соответствует магнитодиску, где магнитное поле сильно растянуто.[29] Сильный постоянный ток в магнитодиске рождается в строго определённом диапазоне широт около 16 ± 1° от Юпитерианских магнитных полюсов. Эти узкие регионы соответствуют основным овалам полярных сияний Юпитера. (см.ниже.)[30] Обратный ток протекающий из внешней магнитосферы в районе 50 R_J входит в Юпитерианскую ионосферу вблизи от полюсов, и замыкает электрическую цепь. Полный радиальный ток предположительно оценивается от 60 до 140 миллионов ампер.[21][28]

Ускорение плазмы в ходе ротации приводит к передаче энергии вращения Юпитера в кинетическую энергию плазмы.[6][20] В этом смысле, Юпитерианская магнитосфера поддерживается вращением планеты, тогда как Земная в основном поддерживается Солнечным ветром.[20]

Главная проблема в расшифровке динамики Юпитерианской магнитосферы заключается в том, как происходит передача тяжелой холодной плазмы из торуса Ио на дистанции в 6 R_J во внешнюю магнитосферу на дистанции в 50 R_J.[29] Точный механизм такого трансфера достоверно не известен, но гипотетически это может быть результатом диффузии плазмы в результате перестановочной неустойчивости плазмы. Процесс напоминает неустойчивость Рэлея — Тейлора в гидродинамике.[19] В случае с Юпитерианской магнитосферой, центробежная сила играет роль силы тяжести; роль тяжёлой жидкости играет холодная и плотная плазма с Ио, роль легкой жидкости играет горячая и менее плотная плазма из внешней магнитосферы.[19] Перестановочная неустойчивость плазмы приводит к обмену между внутренними и внешними частями магнитосферы трубками силовых линий наполненных плазмой. Опустошенные трубки двигаются в сторону планеты, в то время как полные плазмой с Ио, удаляются от Юпитера.[19] Этот взаимообмен трубками силовых линий вызывает своеобразную магнитосферную турбулентность.[31]

Магнитосфера Юпитера, как она видится над северным полюсом[32]

Эта сугубо гипотетическая теория обмена трубками силовых линий частично подтвердилась при пролёте Галилео, который обнаружил регионы с пониженной плотностью плазмы и увеличение напряженности поля во внутренней магнитосфере.[19] Эти пустоты могут соответствовать практически пустым трубкам силовых линий прибывающим из внешней магнитосферы. В средней магнитосфере, Галилео зафиксировал явление, которое происходит когда горячая плазма из внешней магнитосферы сталкивается с магнитодиском, что приводит к увеличению потока высокоэнергичных частиц и укрепляет магнитное поле.[33] Однако механизм переносящий холодную плазму вовне пока не известен.

Когда трубки силовых линий наполненные холодной плазмой с Ио достигают внешней магнитосферы, они проходят через процесс перезамыкания силовых линий, который отделяет магнитное поле от плазмы.[29] Затем она возвращается через внутреннюю магнитосферу в трубках силовых линий, полных горячей и менее плотной плазмой, а последняя судя по всему выбрасывается в хвост магнитосферы в форме плазмоидов—больших сгустков плазмы. Процесс перезамыкания силовых линий может соответствовать глобальным явлениям «реконфигурирования» которые наблюдал КА Галилео, и происходившим регулярно каждые 2—3 дня.[34] Явление реконфигурации включали в себя быстрое и хаотичное изменение напряженности магнитного поля и его направленности, а также резкие перемены в движении плазмы, которая прекращала ротацию и вытекала наружу. В основном явление наблюдалось в рассветном секторе ночной магнитосферы.[34] Плазма течет по открытым силовым линиям вдоль хвоста магнитосферы и это называется «планетарным ветром».[18][35]

Явление перезамыкания силовых линий является аналогом земных магнитных суббурь в магнитосфере.[29] Разница заключается в том что: земные суббури передают накопленную от солнечного ветра энергию в магнитный хвост и высвобождают её через явление пересоединения в слое из нейтральных токов в хвосте магнитосферы. Позднее формируется плазмоид который движется вдоль хвоста.[36] А в Юпитерианской магнитосфере, энергия вращения сохраняется в магнитодиске и высвобождается в виде плазмоидов отделяющихся от диска.[34]

В то время как динамика магнитосферы Юпитера в основном зависит от внутренних источников энергии, солнечный ветер играет вторичную роль,[37] по большей части как источник высоко-энергетических протонов.[note 5][7] Структура внешней магнитосферы демонстрирует некоторые явления свойственные магнитосфере формируемой солнечным ветром, включая выраженную утрене-вечернюю асимметрию.[21] В частности, магнитные линии в вечернем секторе склонены в противоположную сторону относительно утреннего.[21] Помимо этого, в утренней магнитосфере есть открытые силовые линии соединенные с магнитным хвостом, тогда как в вечерней магнитосфере, силовые линии закрыты.[16] Эти наблюдения указывают на то что солнечный ветер вызывающий процесс перезамыкания силовых линий, известный на Земле как цикл Данги, может также иметь место и в юпитерианской магнитосфере.[29][37]

Степень влияния солнечного ветра на юпитерианскую магнитосферу на данный момент неизвестна[38]; однако оно может быть особо сильно в периоды повышенной солнечной активности[39]. Радио[5], оптические и рентгеновские излучения полярных сияний[40], так же, как и синхротронное излучение радиационных поясов, коррелируют с давлением солнечного ветра; а значит, солнечный ветер может влиять на движение плазмы и даже регулировать внутренние процессы в магнитосфере[34].

Изображение Юпитерианских полярных сияний, показаны основные овалы полярных сияний, полярное излучение, и «пятна», создаваемые естественными спутниками Юпитера.

На Юпитере постоянно в районе обоих полюсов происходят яркие полярные сияния. В отличие от земных полярных сияний, которые преходящи и случаются только во время повышенной солнечной активности, юпитерианские полярные сияния постоянны, хотя их интенсивность меняется изо дня в день. Они состоят из трёх основных компонентов: основных овалов, ярких, относительно узких (менее 1000 км в ширину) кругообразных образований, растянувшихся около 16° от магнитных полюсов[41]; полярных пятен от естественных спутников планеты, которые соответствуют следам магнитных силовых линий, связывающих юпитерианскую ионосферу с крупнейшими лунами, и кратковременных выбросов полярного излучения в районе основного овала[41][42]. Излучение полярных сияний Юпитера была обнаружено во всех частях электромагнитного спектра — от радиоизлучения до рентгеновского (вплоть до 3 кэВ), но ярче всего они излучают в среднем инфракрасном излучении (длина волны 3-4 мкм и 7-14 мкм) и в дальнем ультрафиолетовом спектральных регионах (длина волны 80-180 нм)[9].

Основные овалы — доминирующая составляющая Юпитерианских полярных сияний. У них стабильная форма и местоположение[42], но их интенсивность сильно зависит от давления солнечного ветра: чем сильнее солнечный ветер, тем слабее сияния[43]. Основные овалы поддерживаются сильным притоком электронов, ускоренных электрическим потенциалом плазмы из магнитодиска и Юпитерианской ионосферы[44]. Эти электроны несут с собой токи Биркеланда, которые поддерживают ротацию плазмы в магнитодиске[29]. Электрический потенциал кончает расти потому, что разреженная плазма снаружи экваториального слоя может без этих токов переносить только ток ограниченной силы[30]. «Высыпающиеся» электроны обладают энергией в диапазоне 10-100 кэВ и проникают глубоко в атмосферу Юпитера, где они ионизируют и возбуждают молекулярный водород, вызывая ультрафиолетовое излучение[45]. Полная энергия, поступающая в ионосферу, составляет от 10 до 100 ТВт[46]. Токи, протекающие через ионосферу, нагревают её в ходе процесса, называемого «Джоулев нагрев». Этот процесс, производящий до 300 ТВт энергии, отвечает за сильное инфракрасное излучение от Юпитерианских полярных сияний и частично за нагрев Юпитерианской термосферы[47].

Так называемые «пятна» были обнаружены в соответствии с тремя галилеевыми лунами: Ио, Европа и Ганимед.[note 6][49] Они заметны потому как ротация плазмы замедляется в непосредственной близости от спутников. Наиболее яркое пятно принадлежит Ио, основному источнику плазмы в магнитосфере (см.выше). Пятно Ио как считается, связано с альфвеновскими волнами идущими от Юпитерианской ионосферы в ионосферу Ио. Пятна Европы и Ганимеда гораздо слабее, потому что эти спутники слабые источники плазмы, из за испарения водяного льда с их поверхностей.[50]

Яркие дуги и пятна время от времени появляются внутри основных овалов. Эти кратковременные явления связывают с взаимодействием с солнечным ветром.[42] Силовые линии магнитного поля в этом регионе либо открытые либо отображаются на хвосте магнитосферы.[42] Вторичные овалы наблюдаемые внутри основных могут относится к границе между открытыми и закрытыми силовыми линиями магнитного поля или к полярным «каспам».[51] Излучение полярных сияний Юпитера напоминает то что возникает вокруг земных полюсов: И те и другие появляются когда электроны ускоренные в направлении планеты, проходят процесс перезамыкания магнитных силовых линий Солнца с планетарными.[29] Регионы в рамках основных овалов излучают немало рентгеновского излучения. В спектре рентгеновского полярного излучения есть спектральные линии сильно ионизированного кислорода и серы, которые вероятно появляются когда высокоэнергичные (сотни килоэлектронвольт) S и O ионы оседают в полярную атмосферу Юпитера. Причина этого оседания остается пока неизвестной.[40]

Юпитер мощный источник радиоволн в диапазоне от нескольких килогерц до десятков мегагерц. Радиоволны с частотами менее чем примерно 0.3 МГц (а значит с длиной волн более 1 км) называют Юпитерианским километровым излучением (сокращённо по-английски: KOM). Радиоволны в диапазоне от 0.3 до 3 МГц (с длиной волн от 100 до 1000 м) называют гектометрическим излучением (сокращенно HOM), а излучение между 3 и 40 МГц (с длиной волн от 10 до 100 м) зовут дециметрическим излучением (или сокращенно DAM). Радиоизлучение впервые наблюдавшееся из космоса на Земле с периодичностью примерно в 10 часов, как оказалось принадлежало Юпитеру. Сильнейший участок дециметрического излучения, относящийся к Ио и системе токов: Ио-Юпитер, называется сокращенно Ио-DAM.[52][note 7]

Спектр Юпитерианского радиоизлучения в соотношении с спектром четырёх других намагниченных планет, где (N,T,S,U) означает (Нептун,Земля, Сатурн и Уран) а KR означает километровую радиацию.

Большинство этого излучения как считается — создается за счет механизма называющегося «Циклотронной мазерной неустойчивостью», который можно наблюдать вблизи от регионов полярных сияний, когда электроны перемещаются между полюсами. Электроны вовлеченные в генерацию радиоволн, возможно те же самые что переносят токи с полюсов планеты в магнитодиск.[53] Интенсивность радиоизлучения Юпитера как правило плавно меняется со временем; однако, Юпитер периодически излучает короткие и мощные всплески излучения (S всплески), которые могут превосходить прочие компоненты. Полная испускательная способность «DAM» компонента около 100 ГВт, совокупная для HOM/KOM компонентов около 10 ГВт. Для сравнения, Совокупная мощь радиоизлучения с Земли всего 0.1 ГВт.[52]

Юпитерианское радио, и корпускулярное излучение строго привязано к вращению планеты, что делает планету несколько похожей на пульсар.[54] Периодичность модуляций вероятно привязана к асимметрии в магнитосфере Юпитера, а та в свою очередь связана с наклоном магнитного момента по отношению к оси вращения планеты и с высокоширотными магнитными аномалиями. Физика управляющая всплесками в радиоизлучении Юпитера схожа с той же у пульсаров. Отличаются только масштабы, и потому Юпитер нередко считают очень небольшим пульсаром.[54] Замечено что всплески в радиоизлучении Юпитера также связаны с повышением солнечной активности.[52]

В дополнение к относительно длинноволновому радиоизлучению, Юпитер также испускает синхротронное излучение (также известное как Юпитерианское дециметровое излучение или «DIM») на частотах в 0.1-15 ГГц (длина волн от 3 м до 2 см),[55] которое является тормозным излучением релятивистских электронов захваченных во внутренние радиационные пояса планеты. Энергия электронов сопровождающих «DIM» излучение равняется 0.1 — 100 мэВ,[56] а основной вклад в него вносят электроны с энергией от 1 до 20 меВ.[8] Это излучение хорошо понятно и изучено, использовалось с начала 1960-х для изучения структуры планетарного магнитного поля и радиационных поясов.[57] Частицы в радиационных поясах происходят из внешней магнитосферы и адиабатически ускоряются, когда попадают во внутреннюю.[24]

Магнитосфера Юпитера выбрасывает потоки из высоко-энергетических электронов и ионов (с энергией до десятков меВ), которые достигают Земной орбиты.[58] Эти потоки частиц высоко коллимированы и разнятся в зависимости от периода вращения планеты как и радиоизлучение. В этом отношении Юпитер также напоминает пульсар.[54]