Магнитосфера Юпитера представляет собой полость, созданную в солнечном ветре магнитным полем Юпитера . Магнитосфера Юпитера , простирающаяся на семь миллионов километров в направлении Солнца и почти до орбиты Сатурна в противоположном направлении, является самой большой и мощной из всех планетарных магнитосфер Солнечной системы , а по объему — крупнейшей из известных сплошных структур в Солнечной системе. Система после гелиосферы . Магнитосфера Юпитера шире и более плоская, чем магнитосфера Земли , на порядок сильнее , а ее магнитный момент примерно в 18 000 раз больше. Существование магнитного поля Юпитера было впервые сделано на основе наблюдений радиоизлучения в конце 1950-х годов и непосредственно наблюдалось космическим кораблем «Пионер-10» в 1973 году.
Внутреннее магнитное поле Юпитера генерируется электрическими токами во внешнем ядре планеты, которое состоит из жидкого металлического водорода . Извержения вулканов на спутнике Юпитера Ио выбрасывают в космос большое количество сернистого газа, образуя большой тор вокруг планеты. Магнитное поле Юпитера заставляет тор вращаться с той же угловой скоростью и направлением, что и планета. Тор, в свою очередь, нагружает магнитное поле плазмой , растягивая ее в блинообразную структуру, называемую магнитодиском. По сути, магнитосфера Юпитера приводится в движение изнутри и формируется в первую очередь плазмой Ио и ее собственным вращением, а не солнечным ветром , как в магнитосфере Земли. [6] Сильные токи в магнитосфере порождают постоянные полярные сияния вокруг полюсов планеты и интенсивное переменное радиоизлучение, а это означает, что Юпитер можно рассматривать как очень слабый радиопульсар . Полярные сияния Юпитера наблюдались практически во всех частях электромагнитного спектра , включая инфракрасное , видимое , ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение .
Действие магнитосферы улавливает и ускоряет частицы, создавая интенсивные пояса радиации, подобные земным поясам Ван Аллена , но в тысячи раз сильнее. Взаимодействие энергичных частиц с поверхностями крупнейших спутников Юпитера заметно влияет на их химические и физические свойства. Те же самые частицы также влияют и находятся под влиянием движения частиц внутри разреженной планетарной кольцевой системы Юпитера . Радиационные пояса представляют значительную опасность для космических кораблей и, возможно, для космических путешественников.
Магнитосфера Юпитера представляет собой сложную структуру, состоящую из головной ударной волны , магнитооболочки , магнитопаузы , магнитосферы , магнитодиска и других компонентов. Магнитное поле вокруг Юпитера исходит из ряда различных источников, включая циркуляцию жидкости в ядре планеты (внутреннее поле), электрические токи в плазме, окружающей Юпитер, и токи, текущие на границе магнитосферы планеты. Магнитосфера заключена в плазму солнечного ветра , несущего межпланетное магнитное поле . [10]
Основная часть магнитного поля Юпитера, как и Земли , создается внутренним динамо-машиной , поддерживаемым циркуляцией проводящей жидкости во внешнем ядре . Но тогда как ядро Земли состоит из расплавленного железа и никеля , ядро Юпитера состоит из металлического водорода . [3] Как и у Земли, магнитное поле Юпитера в основном представляет собой диполь с северным и южным магнитными полюсами на концах одной магнитной оси. [2] На Юпитере северный полюс диполя (где линии магнитного поля направлены радиально наружу) расположен в северном полушарии планеты, а южный полюс диполя находится в ее южном полушарии. Это противоположность Земли. [11] Поле Юпитера также имеет квадрупольный , октупольный и более высокие компоненты, хотя они менее чем на одну десятую слабее дипольного компонента. [2]
Диполь наклонен примерно на 10 ° от оси вращения Юпитера; наклон аналогичен земному (11,3°). [1] [2] Его экваториальная напряженность поля составляет около 417,0 мкТл (4,170 Гс ), [12] что соответствует дипольному магнитному моменту около 2,83 × 10 20 Тл · м 3 . Это делает магнитное поле Юпитера примерно в 20 раз сильнее, чем у Земли, а его магнитный момент примерно в 20 000 раз больше. [13] [14] [примечание 1] Магнитное поле Юпитера вращается с той же скоростью, что и область под его атмосферой, с периодом 9 часов 55 минут. Никаких изменений в ее прочности или структуре не наблюдалось с момента первых измерений, проведенных космическим кораблем «Пионер» в середине 1970-х годов, до 2019 года. Анализ наблюдений с космического корабля «Юнона» показывает небольшое, но измеримое изменение магнитного поля планеты, наблюдавшееся во время Пионерская эпоха. [15] [16] В частности, около экватора Юпитер имеет область сильно недиполярного поля, известную как «Большое голубое пятно». Это может быть примерно аналогично Южно-Атлантической аномалии Земли . В этом регионе наблюдаются признаки больших вековых изменений . [17]
Внутреннее магнитное поле Юпитера не позволяет солнечному ветру , потоку ионизированных частиц, испускаемых Солнцем , напрямую взаимодействовать с его атмосферой , и вместо этого отклоняет его от планеты, эффективно создавая полость в потоке солнечного ветра, называемую магнитосферой, состоящую из плазмы , отличной от плазмы солнечного ветра. [6] Магнитосфера Юпитера настолько велика, что Солнце и его видимая корона поместились бы внутри нее, оставив достаточно места. [18] Если бы ее можно было увидеть с Земли, она казалась бы в пять раз больше полной Луны на небе, несмотря на то, что она находилась почти в 1700 раз дальше. [18]
Как и в случае с магнитосферой Земли, граница, отделяющая более плотную и холодную плазму солнечного ветра от более горячей и менее плотной внутри магнитосферы Юпитера, называется магнитопаузой . [6] Расстояние от магнитопаузы до центра планеты составляет от 45 до 100 R Дж (где R J =71 492 км — радиус Юпитера) в подсолнечной точке — незафиксированной точке на поверхности, в которой Солнце появляются прямо над головой наблюдателя. [6] Положение магнитопаузы зависит от давления, оказываемого солнечным ветром, которое, в свою очередь, зависит от солнечной активности . [19] Перед магнитопаузой (на расстоянии от 80 до 130 R Дж от центра планеты) лежит головная ударная волна — следообразное возмущение солнечного ветра, вызванное его столкновением с магнитосферой. [20] [21] Область между головной ударной волной и магнитопаузой называется магнитослоем . [6]
На противоположной стороне планеты солнечный ветер растягивает линии магнитного поля Юпитера в длинный висячий хвост магнитосферы , который иногда выходит далеко за пределы орбиты Сатурна . [22] Структура хвоста магнитосферы Юпитера аналогична земной. Он состоит из двух долей (синие области на рисунке), причем магнитное поле в южной доле направлено к Юпитеру, а магнитное поле в северной доле - в сторону от него. Доли разделены тонким слоем плазмы, называемым хвостовым токовым слоем (оранжевый слой посередине). [22]
Описанная выше форма магнитосферы Юпитера поддерживается нейтральным листовым током (также известным как ток хвоста магнитосферы), который течет вместе с вращением Юпитера через плазменный слой хвоста , токами хвоста, которые текут против вращения Юпитера на внешней границе хвоста магнитосферы. и токи магнитопаузы (или токи Чепмена–Ферраро), которые текут против вращения вдоль дневной магнитопаузы. [11] Эти токи создают магнитное поле, которое нейтрализует внутреннее поле за пределами магнитосферы. [22] Они также существенно взаимодействуют с солнечным ветром. [11]
Магнитосферу Юпитера традиционно делят на три части: внутреннюю, среднюю и внешнюю магнитосферу. Внутренняя магнитосфера расположена на расстояниях ближе 10 R Дж от планеты. Магнитное поле внутри него остается примерно дипольным, поскольку вклады токов, текущих в экваториальном плазменном слое магнитосферы, малы. В средней (между 10 и 40 R Дж ) и внешней (дальше 40 R Дж ) магнитосферах магнитное поле не является диполем и серьезно возмущается из-за его взаимодействия с плазменным слоем (см. Магнитодиск ниже). [6]
Хотя в целом форма магнитосферы Юпитера напоминает земную, ближе к планете ее структура сильно отличается. [19] Вулканически активный спутник Юпитера Ио сам по себе является мощным источником плазмы и каждую секунду загружает магнитосферу Юпитера до 1000 кг нового материала. [7] Сильные извержения вулканов на Ио выбрасывают огромное количество диоксида серы , большая часть которого диссоциирует на атомы и ионизируется электронными ударами и, в меньшей степени, солнечным ультрафиолетовым излучением , образуя ионы серы и кислорода . Дальнейшие удары электронов создают более высокое состояние заряда, в результате чего образуется плазма S + , O + , S 2+ , O 2+ и S 3+ . [23] Они образуют плазменный тор Ио : толстое и относительно холодное кольцо плазмы, окружающее Юпитер, расположенное недалеко от орбиты Ио. [7] Температура плазмы внутри тора составляет 10–100 эВ (100 000–1 000 000 К), что значительно ниже, чем у частиц в радиационных поясах — 10 кэВ (100 млн К). Плазма в торе вынуждена вращаться вместе с Юпитером, а это означает, что оба имеют одинаковый период вращения. [24] Тор Ио фундаментально меняет динамику магнитосферы Юпитера. [25]
В результате нескольких процессов ( основными механизмами ускользания являются диффузия и обменная неустойчивость ) плазма медленно утекает от Юпитера. [24] По мере того как плазма удаляется от планеты, радиальные токи, текущие внутри нее, постепенно увеличивают ее скорость, поддерживая совместное вращение. [6] Эти радиальные токи также являются источником азимутальной составляющей магнитного поля, которая в результате отклоняется назад, препятствуя вращению. [26] Плотность частиц плазмы уменьшается примерно с 2000 см -3 в торе Ио до примерно 0,2 см -3 на расстоянии 35 R Дж . [27] В средней магнитосфере, на расстояниях более 10 R Дж от Юпитера, совместное вращение постепенно нарушается и плазма начинает вращаться медленнее, чем планета. [6] В конечном итоге на расстояниях, превышающих примерно 40 R Дж (во внешней магнитосфере), эта плазма больше не удерживается магнитным полем и покидает магнитосферу через хвост магнитосферы. [28] Когда холодная плотная плазма движется наружу, она заменяется горячей плазмой низкой плотности с температурой до 20 кэВ (200 миллионов К) или выше, движущейся из внешней магнитосферы. [27] Часть этой плазмы, адиабатически нагретой по мере приближения к Юпитеру, [29] может образовывать радиационные пояса во внутренней магнитосфере Юпитера. [7]
Магнитное поле Земли имеет примерно каплевидную форму, а магнитное поле Юпитера более плоское, больше напоминает диск и периодически «качается» вокруг своей оси. [30] Основными причинами такой дискообразной конфигурации являются центробежная сила со вращающейся в одном направлении плазмы и тепловое давление горячей плазмы, которые растягивают силовые линии магнитного поля Юпитера , образуя сплющенную блинообразную структуру, известную как магнитодиск, на расстояниях более 20 R Дж от планеты. [6] [31] Магнитодиск имеет тонкий токовый слой в средней плоскости, [23] примерно вблизи магнитного экватора . Линии магнитного поля направлены от Юпитера над слоем и к Юпитеру под ним. [19] Загрузка плазмы с Ио значительно расширяет размеры магнитосферы Юпитера, поскольку магнитодиск создает дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра. [20] В отсутствие Ио расстояние от планеты до магнитопаузы в подсолнечной точке составляло бы не более 42 R Дж , тогда как на самом деле оно составляет в среднем 75 R Дж . [6]
Конфигурацию поля магнитодиска поддерживает азимутальный кольцевой ток (не аналог земного кольцевого тока), текущий с вращением через экваториальный плазменный слой. [32] Сила Лоренца , возникающая в результате взаимодействия этого тока с планетарным магнитным полем, создает центростремительную силу , которая удерживает вращающуюся в одном направлении плазму от выхода за пределы планеты. Суммарный кольцевой ток в экваториальном токовом слое оценивается в 90–160 миллионов ампер . [6] [26]
Основным двигателем магнитосферы Юпитера является вращение планеты. [33] В этом отношении Юпитер похож на устройство, называемое униполярным генератором . Когда Юпитер вращается, его ионосфера движется относительно дипольного магнитного поля планеты. Поскольку дипольный магнитный момент направлен в направлении вращения, [11] сила Лоренца , возникающая в результате этого движения, гонит отрицательно заряженные электроны к полюсам, а положительно заряженные ионы отталкиваются к экватору. [34] В результате полюса становятся отрицательно заряженными, а регионы, расположенные ближе к экватору, становятся положительно заряженными. Поскольку магнитосфера Юпитера заполнена высокопроводящей плазмой, электрическая цепь через нее замкнута. [34] Ток, называемый постоянным током [примечание 2] , течет вдоль силовых линий магнитного поля от ионосферы к экваториальному плазменному слою. Затем этот ток течет радиально от планеты внутри экваториального плазменного слоя и, наконец, возвращается в планетарную ионосферу из внешних пределов магнитосферы вдоль силовых линий, соединенных с полюсами. Токи, текущие вдоль силовых линий магнитного поля, обычно называют продольными токами или токами Биркеланда . [26] Радиальный ток взаимодействует с планетарным магнитным полем, и возникающая сила Лоренца ускоряет магнитосферную плазму в направлении вращения планеты. Это основной механизм, поддерживающий совместное вращение плазмы в магнитосфере Юпитера. [34]
Ток, текущий из ионосферы в плазменный слой, особенно силен, когда соответствующая часть плазменного слоя вращается медленнее планеты. [34] Как уже говорилось выше, совместное вращение нарушается в области, расположенной между 20 и 40 R Дж от Юпитера. Эта область соответствует магнитодиску, где магнитное поле сильно растянуто. [35] Сильный постоянный ток, текущий в магнитодиск, возникает в очень ограниченном широтном диапазоне примерно 16 ± 1 ° от магнитных полюсов Юпитера. Эти узкие круглые области соответствуют главным овалам полярных сияний Юпитера . (См. ниже.) [36] Обратный ток, текущий из внешней магнитосферы за пределами 50 Р Дж , попадает в ионосферу Юпитера вблизи полюсов, замыкая электрическую цепь. Полный радиальный ток в магнитосфере Юпитера оценивается в 60–140 миллионов ампер. [26] [34]
Ускорение плазмы во взаимное вращение приводит к передаче энергии от вращения Юпитера к кинетической энергии плазмы. [6] [25] В этом смысле магнитосфера Юпитера питается за счет вращения планеты, тогда как магнитосфера Земли питается главным образом за счет солнечного ветра. [25]
Основная проблема, возникающая при расшифровке динамики магнитосферы Юпитера, — это перенос тяжелой холодной плазмы от тора Ио при энергии 6 Р Дж во внешнюю магнитосферу на расстояния более 50 Р Дж . [35] Точный механизм этого процесса неизвестен, но предполагается, что он происходит в результате диффузии плазмы из-за взаимообменной нестабильности. Этот процесс аналогичен неустойчивости Рэлея-Тейлора в гидродинамике . [24] В случае магнитосферы Юпитера центробежная сила играет роль гравитации; тяжелая жидкость — это холодная и плотная ионическая (т. е. относящаяся к Ио ) плазма, а легкая жидкость — это горячая, гораздо менее плотная плазма из внешней магнитосферы. [24] Неустойчивость приводит к обмену между внешней и внутренней частями магнитосферы силовыми трубками, заполненными плазмой. Плавучие пустые трубки движутся к планете, отталкивая тяжелые трубки, наполненные ионической плазмой, от Юпитера. [24] Эта смена трубок потока является формой магнитосферной турбулентности . [37]
.png/1280px-Jovian_magnetosphere_(view_from_the_north_pole).png)
Эту весьма гипотетическую картину обмена силовой трубкой частично подтвердил космический аппарат «Галилео» , обнаруживший во внутренней магнитосфере области резко пониженной плотности плазмы и повышенной напряженности поля. [24] Эти пустоты могут соответствовать почти пустым силовым трубкам, приходящим из внешней магнитосферы. В средней магнитосфере Галилей обнаружил так называемые события инжекции, которые происходят, когда горячая плазма из внешней магнитосферы воздействует на магнитодиск, что приводит к увеличению потока энергичных частиц и усилению магнитного поля. [39] Пока не известен механизм, объясняющий перенос холодной плазмы наружу.
Когда трубки потока, загруженные холодной ионической плазмой, достигают внешней магнитосферы, они проходят процесс пересоединения , который отделяет магнитное поле от плазмы. [35] Первые возвращаются во внутреннюю магнитосферу в виде силовых трубок, заполненных горячей и менее плотной плазмой, а вторые, вероятно, выбрасываются вниз по хвосту магнитосферы в виде плазмоидов — больших сгустков плазмы. Процессы пересоединения могут соответствовать событиям глобальной реконфигурации, также наблюдаемым космическим аппаратом Галилео, которые происходили регулярно каждые 2–3 дня. [40] События реконфигурации обычно включали быстрое и хаотическое изменение силы и направления магнитного поля, а также резкие изменения в движении плазмы, которая часто прекращала совместное вращение и начинала течь наружу. В основном они наблюдались в утреннем секторе ночной магнитосферы. [40] Плазма, стекающая по хвосту вдоль линий открытого поля, называется планетарным ветром. [23] [41]
События пересоединения являются аналогами магнитных суббурь в магнитосфере Земли. [35] Разница, по-видимому, заключается в соответствующих источниках энергии: земные суббури включают в себя хранение энергии солнечного ветра в хвосте магнитосферы с последующим ее высвобождением посредством события пересоединения в нейтральном токовом слое хвоста. Последний также создает плазмоид, который движется вниз по хвосту. [42] И наоборот, в магнитосфере Юпитера энергия вращения накапливается в магнитодиске и высвобождается, когда от него отделяется плазмоид. [40]
В то время как динамика магнитосферы Юпитера в основном зависит от внутренних источников энергии, солнечный ветер, вероятно, также играет определенную роль, [43] особенно как источник протонов высоких энергий . [примечание 3] [7] Структура внешней магнитосферы демонстрирует некоторые особенности магнитосферы, движимой солнечным ветром, включая значительную асимметрию рассвета и заката. [26] В частности, силовые линии магнитного поля в сумеречном секторе искривлены в направлении, противоположном линиям в утреннем секторе. [26] Кроме того, утренняя магнитосфера содержит открытые силовые линии, соединяющиеся с хвостом магнитосферы, тогда как в вечерней магнитосфере силовые линии закрыты. [22] Все эти наблюдения указывают на то, что процесс пересоединения, вызванный солнечным ветром, известный на Земле как цикл Данжи , также может происходить в магнитосфере Юпитера. [35] [43]
Степень влияния солнечного ветра на динамику магнитосферы Юпитера в настоящее время неизвестна; [44] однако оно может быть особенно сильным в периоды повышенной солнечной активности. [45] Авроральное радио, [4] оптическое и рентгеновское излучение, [46] , а также синхротронное излучение радиационных поясов демонстрируют корреляцию с давлением солнечного ветра, указывая на то, что солнечный ветер может управлять циркуляцией плазмы или модулировать внутренние процессы. в магнитосфере. [40]
.png/1280px-Jupiter_Showcases_Auroras,_Hazes_(NIRCam_Widefield_View_-_Annotated).png)
Юпитер демонстрирует яркие, постоянные полярные сияния вокруг обоих полюсов. В отличие от полярных сияний на Земле, которые кратковременны и возникают только в периоды повышенной солнечной активности, полярные сияния на Юпитере постоянны, хотя их интенсивность меняется изо дня в день. Они состоят из трех основных компонентов: основных овалов — ярких, узких (шириной менее 1000 км) круглых образований, расположенных примерно под углом 16° от магнитных полюсов; [48] пятна полярных сияний спутников, которые соответствуют следам силовых линий магнитного поля, соединяющих ионосферу Юпитера с ионосферой его крупнейших спутников, и переходные полярные излучения, расположенные внутри главных овалов (лучшее описание может оказаться эллиптическим полем). [48] [49] Авроральные излучения были обнаружены почти во всех частях электромагнитного спектра от радиоволн до рентгеновских лучей (до 3 кэВ); чаще всего они наблюдаются в средней инфракрасной (длины волн 3–4 мкм и 7–14 мкм) и дальней ультрафиолетовой областях спектра (длина волны 120–180 нм). [9]
Главные овалы представляют собой доминирующую часть полярных сияний Юпитера. Они имеют примерно стабильную форму и расположение, [49] но их интенсивность сильно модулируется давлением солнечного ветра — чем сильнее солнечный ветер, тем слабее полярные сияния. [50] Как упоминалось выше, основные овалы поддерживаются сильным притоком электронов, ускоренных перепадами электрического потенциала между плазмой магнитодиска и ионосферой Юпитера. [51] Эти электроны переносят выровненные по полю токи , которые поддерживают совместное вращение плазмы в магнитодиске. [35] Падения потенциала возникают потому, что разреженная плазма за пределами экваториального слоя может переносить ток только ограниченной силы, не вызывая нестабильностей и не создавая падений потенциала. [36] Высыпающиеся электроны имеют энергию в диапазоне 10–100 кэВ и проникают глубоко в атмосферу Юпитера, где ионизируют и возбуждают молекулярный водород, вызывая ультрафиолетовое излучение. [52] Суммарный энерговклад в ионосферу составляет 10–100 ТВт . [53] Кроме того, токи, протекающие в ионосфере, нагревают ее в результате процесса, известного как джоулевый нагрев . Этот нагрев, вырабатывающий мощность до 300 ТВт, отвечает за сильное инфракрасное излучение полярных сияний Юпитера и частично за нагрев термосферы Юпитера. [54]
Были обнаружены пятна, соответствующие галилеевым спутникам Ио, Европе и Ганимеду . [55] Они развиваются потому, что совместное вращение плазмы взаимодействует с лунами и замедляется в их окрестностях. Самое яркое пятно принадлежит Ио, являющемуся основным источником плазмы в магнитосфере (см. выше). Считается, что ионическое полярное сияние связано с альвеновскими течениями , текущими из ионосферы Юпитера в ионическую. Европа похожа на нее, но гораздо тусклее, потому что у нее более разреженная атмосфера и более слабый источник плазмы. Атмосфера Европы образуется в результате сублимации водяного льда с ее поверхности, а не в результате вулканической активности, которая создает атмосферу Ио. [56] Ганимед имеет внутреннее магнитное поле и собственную магнитосферу . Взаимодействие между этой магнитосферой и магнитосферой Юпитера создает токи из-за магнитного пересоединения . Пятно полярного сияния, связанное с Каллисто, вероятно, похоже на пятно Европы, но по состоянию на июнь 2019 года его видели только один раз. [57] [58] Обычно линии магнитного поля, связанные с Каллисто, касаются атмосферы Юпитера очень близко к главной звезде или вдоль нее. авроральный овал, что затрудняет обнаружение аврорального пятна Каллисто.
Внутри основных овалов спорадически появляются яркие дуги и пятна. Считается, что эти переходные явления связаны с взаимодействием либо с солнечным ветром, либо с динамикой внешней магнитосферы. [49] Считается, что силовые линии магнитного поля в этой области открыты или расположены на хвосте магнитосферы. [49] Вторичные овалы иногда наблюдаются внутри главного овала и могут быть связаны с границей между открытыми и закрытыми силовыми линиями магнитного поля или с полярными выступами . [59] Полярные полярные сияния могут быть аналогичны тем, которые наблюдаются вокруг полюсов Земли: они появляются, когда электроны ускоряются по направлению к планете за счет перепадов потенциала, во время воссоединения солнечного магнитного поля с магнитным полем планеты. [35] Области внутри главных овалов излучают большую часть аврорального рентгеновского излучения. Спектр аврорального рентгеновского излучения состоит из спектральных линий высокоионизованного кислорода и серы, которые, вероятно, появляются при выпадении энергичных (сотни килоэлектронвольт) ионов S и O в полярную атмосферу Юпитера. Источник этих осадков остается неизвестным, но это не согласуется с теорией о том, что эти силовые линии магнитного поля открыты и связаны с солнечным ветром. [46]
Юпитер — мощный источник радиоволн в спектральных областях, простирающихся от нескольких килогерц до десятков мегагерц . Радиоволны с частотами менее 0,3 МГц (и, следовательно, с длиной волны более 1 км) называются километрическим излучением Юпитера или КОМ. Излучения с частотами в интервале 0,3–3 МГц (с длинами волн 100–1000 м) называют гектометровым излучением или ГОМ, а излучения в диапазоне 3–40 МГц (с длинами волн 10–100 м) – декаметровое излучение или ДАМ . Последнее излучение было первым, которое наблюдалось с Земли, и его примерно 10-часовая периодичность помогла идентифицировать его как исходящее от Юпитера. Самая сильная часть декаметровой эмиссии, связанная с Ио и системой токов Ио-Юпитер, называется Ио-ДАМ. [60] [примечание 4]
Считается, что большая часть этих выбросов возникает в результате механизма, называемого «циклотронной мазерной нестабильностью», который развивается вблизи полярных сияний. Электроны, движущиеся параллельно магнитному полю, выпадают в атмосферу, а электроны с достаточной перпендикулярной скоростью отражаются сходящимся магнитным полем . Это приводит к нестабильному распределению скорости . Это распределение скоростей самопроизвольно генерирует радиоволны на локальной электронной циклотронной частоте . Электроны, участвующие в генерации радиоволн, вероятно, являются теми, которые несут токи от полюсов планеты к магнитодиску. [61] Интенсивность радиоизлучения Юпитера обычно плавно меняется со временем. Однако существуют короткие и мощные всплески (S-всплески) излучения, накладывающиеся на более постепенные изменения и способные затмить все остальные компоненты. Суммарная излучаемая мощность компонента ДАМ составляет около 100 ГВт, тогда как мощность всех остальных компонентов ХОМ/КОМ – около 10 ГВт. Для сравнения, общая мощность радиоизлучения Земли составляет около 0,1 ГВт. [60]
Радиоизлучение Юпитера и выбросы частиц сильно модулируются его вращением, что делает планету чем-то похожей на пульсар . [62] Эта периодическая модуляция, вероятно, связана с асимметриями в магнитосфере Юпитера, которые вызваны наклоном магнитного момента относительно оси вращения, а также высокоширотными магнитными аномалиями . Физика радиоизлучения Юпитера аналогична физике радиопульсаров. Они различаются только масштабом, а Юпитер тоже можно считать очень маленьким радиопульсаром . [62] Кроме того, радиоизлучение Юпитера сильно зависит от давления солнечного ветра и, следовательно, от солнечной активности . [60]
Помимо относительно длинноволнового излучения, Юпитер излучает также синхротронное излучение (также известное как дециметровое излучение Юпитера или ДИМ-излучение) с частотами в диапазоне 0,1–15 ГГц (длина волны от 3 м до 2 см). [63] Эти выбросы исходят от релятивистских электронов, захваченных во внутренних радиационных поясах планеты. Энергия электронов, вносящих вклад в эмиссию ДИМ, составляет от 0,1 до 100 МэВ [64] , при этом основной вклад дают электроны с энергией в диапазоне 1–20 МэВ. [8] Это излучение хорошо изучено и использовалось с начала 1960-х годов для изучения структуры магнитного поля планеты и радиационных поясов. [65] Частицы радиационных поясов возникают во внешней магнитосфере и адиабатически ускоряются, когда переносятся во внутреннюю магнитосферу. [29] Однако для этого требуется исходная популяция электронов умеренно высокой энергии (>> 1 кэВ), и происхождение этой популяции не совсем понятно.
Магнитосфера Юпитера выбрасывает потоки электронов и ионов высоких энергий (энергия до десятков мегаэлектронвольт ), которые доходят до орбиты Земли. [66] Эти потоки сильно коллимированы и изменяются в зависимости от периода вращения планеты, как и радиоизлучение. В этом отношении Юпитер также обнаруживает сходство с пульсаром. [62]
Обширная магнитосфера Юпитера охватывает его кольцевую систему и орбиты всех четырех галилеевых спутников . [67] Эти тела, вращаясь вблизи магнитного экватора, служат источниками и стоками магнитосферной плазмы, в то время как энергичные частицы из магнитосферы изменяют свою поверхность. Частицы распыляют материал с поверхностей и вызывают химические изменения посредством радиолиза . [68] Вращение плазмы вместе с планетой означает, что плазма преимущественно взаимодействует с ведомыми полушариями лун, вызывая заметную асимметрию полушарий. [69]
Вблизи Юпитера кольца и небольшие спутники планеты поглощают частицы высоких энергий (энергия выше 10 кэВ) из радиационных поясов. [70] Это создает заметные разрывы в пространственном распределении поясов и влияет на дециметровое синхротронное излучение. Фактически, о существовании колец Юпитера впервые была выдвинута гипотеза на основе данных космического корабля «Пионер-11» , зафиксировавшего резкое падение количества высокоэнергетических ионов вблизи планеты. [70] Планетарное магнитное поле также сильно влияет на движение субмикрометровых кольцевых частиц, которые приобретают электрический заряд под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения . Их поведение аналогично поведению вращающихся в одном направлении ионов . [71] Резонансные взаимодействия между совместным вращением и орбитальным движением частиц использовались для объяснения создания самого внутреннего кольца гало Юпитера (расположенного между 1,4 и 1,71 R J ). Это кольцо состоит из субмикрометровых частиц на сильно наклоненных и эксцентрических орбитах. [72] Частицы возникают в главном кольце; однако, когда они дрейфуют к Юпитеру, их орбиты изменяются под действием сильного резонанса Лоренца 3:2, расположенного на частоте 1,71 R J , что увеличивает их наклон и эксцентриситет. [примечание 5] Другой резонанс Лоренца 2:1 при 1,4 Rj определяет внутреннюю границу кольца гало. [73]
Все галилеевы спутники имеют тонкую атмосферу с поверхностным давлением в диапазоне 0,01–1 нбар , которая, в свою очередь, поддерживает значительную ионосферу с плотностью электронов в диапазоне 1000–10 000 см -3 . [67] Сопутствующий поток холодной магнитосферной плазмы частично отклоняется вокруг них токами, индуцируемыми в их ионосферах, создавая клиновидные структуры, известные как альфвеновские крылья. [74] Взаимодействие больших спутников с совращательным потоком аналогично взаимодействию солнечного ветра с ненамагниченными планетами типа Венеры , хотя скорость совращения обычно дозвуковая [примечание 6] (скорости изменяются от 74 до 328 км/с), что препятствует образованию головной ударной волны . [75] Давление совращающейся плазмы непрерывно вытягивает газы из атмосфер лун (особенно из атмосферы Ио), и некоторые из этих атомов ионизируются и приводятся в совместное вращение. Этот процесс создает газовые и плазменные торы вблизи орбит спутников, наиболее заметным из которых является Ионический тор. [67] По сути, галилеевы спутники (в основном Ио) служат основными источниками плазмы во внутренней и средней магнитосфере Юпитера. Между тем, энергетические частицы практически не подвержены влиянию альфвеновских крыльев и имеют свободный доступ к поверхностям спутников (кроме Ганимеда). [76]
Ледяные галилеевы спутники Европа , Ганимед и Каллисто генерируют индуцированные магнитные моменты в ответ на изменения магнитного поля Юпитера. Эти изменяющиеся магнитные моменты создают вокруг себя дипольные магнитные поля, которые компенсируют изменения окружающего поля. [67] Считается, что индукция происходит в подземных слоях соленой воды, которые, вероятно, существуют на всех больших ледяных спутниках Юпитера. Эти подземные океаны потенциально могут содержать жизнь, и доказательством их присутствия стало одно из самых важных открытий, сделанных в 1990-х годах космическими кораблями . [77]
Взаимодействие магнитосферы Юпитера с Ганимедом, имеющим собственный магнитный момент, отличается от ее взаимодействия с ненамагниченными спутниками. [77] Внутреннее магнитное поле Ганимеда вырезает полость внутри магнитосферы Юпитера диаметром примерно два диаметра Ганимеда, создавая мини-магнитосферу внутри магнитосферы Юпитера. Магнитное поле Ганимеда отклоняет вращающийся поток плазмы вокруг его магнитосферы. Он также защищает экваториальные области Луны, где силовые линии замкнуты, от энергичных частиц. Последний все еще может свободно поражать полюса Ганимеда, где линии поля открыты. [78] Некоторые энергичные частицы задерживаются вблизи экватора Ганимеда, создавая мини-радиационные пояса. [79] Энергичные электроны, попадающие в его тонкую атмосферу, ответственны за наблюдаемые полярные сияния Ганимедии. [78]
Заряженные частицы оказывают значительное влияние на свойства поверхности галилеевых спутников. Плазма, исходящая с Ио, переносит ионы серы и натрия дальше от планеты, [80] где они имплантируются преимущественно в задние полушария Европы и Ганимеда. [81] Однако на Каллисто по неизвестным причинам сера сконцентрирована в ведущем полушарии. [82] Плазма также может быть ответственна за затемнение задних полушарий лун (опять же, за исключением Каллисто). [69] Энергичные электроны и ионы, поток последних более изотропен, бомбардируют поверхность льда, распыляя атомы и молекулы и вызывая радиолиз воды и других химических соединений . Энергичные частицы разлагают воду на кислород и водород , поддерживая тонкую кислородную атмосферу ледяных лун (поскольку водород уходит быстрее). Соединения, образующиеся радиолитически на поверхности спутников Галилея, также включают озон и перекись водорода . [83] Если присутствуют органические вещества или карбонаты , также могут образовываться углекислый газ , метанол и угольная кислота . При наличии серы вероятными продуктами являются диоксид серы, сероводород и серная кислота . [83] Окислители , образующиеся в результате радиолиза, такие как кислород и озон, могут задерживаться внутри льда и переноситься вниз в океаны в течение геологических интервалов времени, служа таким образом возможным источником энергии для жизни. [80]
Первые доказательства существования магнитного поля Юпитера появились в 1955 году, когда было открыто декаметровое радиоизлучение или ДАМ. [84] Поскольку спектр DAM расширился до 40 МГц , астрономы пришли к выводу, что Юпитер должен обладать магнитным полем с максимальной силой выше 1 миллитесла ( 10 гаусс ). [63]
В 1959 году наблюдения в микроволновой части электромагнитного (ЭМ) спектра (0,1–10 ГГц ) привели к открытию дециметрового излучения Юпитера (ДИМ) и пониманию того, что это синхротронное излучение , испускаемое релятивистскими электронами , захваченными излучением планеты. ремни. [85] Эти синхротронные излучения были использованы для оценки количества и энергии электронов вокруг Юпитера и привели к улучшению оценок магнитного момента и его наклона. [7]
К 1973 году магнитный момент был известен с точностью до двух раз, тогда как наклон был правильно оценен примерно в 10°. [18] Модуляция DAM Юпитера Ио (так называемый Io-DAM) была обнаружена в 1964 году и позволила точно определить период вращения Юпитера. [4] Окончательное открытие магнитного поля Юпитера произошло в декабре 1973 года, когда космический корабль «Пионер-10» пролетел вблизи планеты. [1] [примечание 7]
По состоянию на 2009 год вокруг Юпитера пролетело в общей сложности восемь космических аппаратов, и все они внесли свой вклад в современные знания о магнитосфере Юпитера. Первым космическим зондом, достигшим Юпитера, был «Пионер-10» в декабре 1973 года, который прошел на расстоянии 2,9 РДж [ 18] от центра планеты. [1] Год спустя его близнец «Пионер-11» посетил Юпитер, путешествуя по сильно наклоненной траектории и приблизившись к планете на расстояние 1,6 R Дж . [18]
«Пионер-10» обеспечил наилучшее покрытие внутреннего магнитного поля [6] , проходя через внутренние радиационные пояса в радиусе 20 Р Дж , получив комплексную дозу 200 000 рад от электронов и 56 000 рад от протонов (для человека — все тело доза в 500 рад была бы смертельной). [86] Уровень радиации на Юпитере оказался в десять раз выше, чем предсказывали конструкторы «Пионера», что привело к опасениям, что зонд не выживет; однако, с несколькими незначительными сбоями, ему удалось пройти через радиационные пояса, во многом спасенный тем фактом, что магнитосфера Юпитера в этот момент слегка «качалась» вверх, удаляясь от космического корабля. Однако «Пионер-11» потерял большую часть изображений Ио, поскольку из-за радиации его фотополяриметр получил ряд ложных команд. Последующий и гораздо более технологически продвинутый космический корабль «Вояджер» пришлось перепроектировать, чтобы он мог справиться с огромными уровнями радиации. [30]
«Вояджеры-1» и «Вояджеры-2» прибыли к Юпитеру в 1979–1980 годах и прошли почти в его экваториальной плоскости. «Вояджер-1» , прошедший в пределах 5 R Дж от центра планеты, [18] первым столкнулся с плазменным тором Ио. [6] Он получил дозу радиации, в тысячу раз превышающую смертельный уровень для человека, что привело к серьезному ухудшению некоторых изображений Ио и Ганимеда в высоком разрешении. [87] «Вояджер-2» прошёл на расстоянии 10 R Дж [18] и обнаружил токовый слой в экваториальной плоскости. Следующим зондом, приблизившимся к Юпитеру, был «Улисс» в 1992 году, который исследовал полярную магнитосферу планеты. [6]
Космический аппарат «Галилео» , обращавшийся вокруг Юпитера с 1995 по 2003 год, обеспечил комплексное покрытие магнитного поля Юпитера вблизи экваториальной плоскости на расстояниях до 100 Р Дж . Изученные области включали хвост магнитосферы, а также утренний и вечерний секторы магнитосферы. [6] Хотя «Галилей» успешно выжил в суровых радиационных условиях Юпитера, он все же столкнулся с некоторыми техническими проблемами. В частности, гироскопы космического корабля часто показывали повышенные погрешности. Несколько раз между вращающимися и невращающимися частями космического корабля возникали электрические дуги , вызывавшие переход его в безопасный режим , что приводило к полной потере данных с 16-й, 18-й и 33-й витков. Излучение также вызвало фазовые сдвиги в сверхстабильном кварцевом генераторе Галилея . [88]
Когда космический корабль Кассини пролетал мимо Юпитера в 2000 году, он проводил скоординированные измерения с Галилеем . [6] В 2007 году аппарат «Новые горизонты» прошел недалеко от Юпитера, проведя уникальное исследование хвоста магнитосферы Юпитера, пролетевшего по своей длине на расстояние 2500 R Дж . [38] В июле 2016 года «Юнона» была выведена на орбиту Юпитера. В ее научные цели входит исследование полярной магнитосферы Юпитера. [89] Покрытие магнитосферы Юпитера остается гораздо слабее, чем магнитного поля Земли. Дальнейшие исследования важны для дальнейшего понимания динамики магнитосферы Юпитера. [6]
В 2003 году НАСА провело концептуальное исследование под названием «Исследование внешних планет человеком» (НАДЕЖДА), касающееся будущего исследования человеком внешней части Солнечной системы . Обсуждалась возможность строительства наземной базы на Каллисто из-за низкого уровня радиации на расстоянии Луны от Юпитера и ее геологической стабильности. Каллисто — единственный из галилеевых спутников Юпитера, который возможен для исследования человеком. Уровни ионизирующей радиации на Ио, Европе и Ганимеде опасны для человеческой жизни, и адекватные меры защиты еще не разработаны. [90]
Миссия Juno New Frontiers на Юпитер была запущена в 2011 году и прибыла к Юпитеру в 2016 году. Она включает в себя набор инструментов, предназначенных для лучшего понимания магнитосферы, включая магнитометр, а также другие устройства, такие как детектор плазмы и радиоволн под названием Waves. .
Инструмент Jovian Auroral Distribution Experiment (JADE) также должен помочь понять магнитосферу. [91]
Основная цель миссии «Юнона» — исследование полярной магнитосферы Юпитера. Хотя Улисс ненадолго достиг широты ~ 48 градусов, это произошло на относительно большом расстоянии от Юпитера (~ 8,6 RJ). Следовательно, полярная магнитосфера Юпитера представляет собой в значительной степени неизведанную территорию и, в частности, область аврорального ускорения никогда не посещалась. ...
- Волновое исследование для миссии «Юнона» к Юпитеру [92]
Юнона обнаружила планетарное магнитное поле, богатое пространственными вариациями, возможно, из-за относительно большого радиуса динамо. Самым удивительным наблюдением до конца 2017 года было отсутствие ожидаемой магнитной сигнатуры интенсивных продольных токов ( токов Биркеланда ), связанных с главным полярным сиянием. [93]
Одна из целей миссии «Исследователь ледяных лун Юпитера » (JUICE) Европейского космического агентства , запущенной в апреле 2023 года, — понять магнитное поле Ганимеда и то, как оно влияет на Юпитер. «Тяньвэнь-4» — это предлагаемая китайская миссия, которая будет либо исследовать луну Каллисто, либо собирать дополнительную информацию об Ио.
