Магнитосфера Юпитера — это полость, созданная в солнечном ветре магнитным полем Юпитера . Простираясь до семи миллионов километров в направлении Солнца и почти до орбиты Сатурна в противоположном направлении, магнитосфера Юпитера является самой большой и мощной из всех планетарных магнитосфер в Солнечной системе , а по объему — крупнейшей известной непрерывной структурой в Солнечной системе после гелиосферы . Более широкая и плоская, чем магнитосфера Земли , магнитосфера Юпитера на порядок сильнее , а ее магнитный момент примерно в 18 000 раз больше. Существование магнитного поля Юпитера было впервые выведено из наблюдений радиоизлучения в конце 1950-х годов и непосредственно наблюдалось космическим аппаратом Pioneer 10 в 1973 году.
Внутреннее магнитное поле Юпитера генерируется электрическими токами во внешнем ядре планеты, которое, как предполагается, состоит из жидкого металлического водорода . Вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио выбрасывают в космос большое количество диоксида серы , 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, загружает магнитное поле плазмой , в процессе растягивая его в блинообразную структуру, называемую магнитодиском. По сути, магнитосфера Юпитера управляется изнутри, формируясь в основном плазмой Ио и ее собственным вращением, а не солнечным ветром , как в магнитосфере Земли. [6] Сильные токи в магнитосфере генерируют постоянные полярные сияния вокруг полюсов планеты и интенсивное переменное радиоизлучение, что 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 захватывает и ускоряет частицы, создавая интенсивные пояса излучения, похожие на пояса Ван Аллена на Земле , но в тысячи раз сильнее. [ требуется ссылка ] Взаимодействие энергичных частиц с поверхностями крупнейших лун Юпитера заметно влияет на их химические и физические свойства. Те же самые частицы также влияют и подвергаются влиянию движения частиц в разреженной планетарной кольцевой системе Юпитера . Радиационные пояса представляют значительную опасность для космических кораблей и потенциально для космических путешественников.
Магнитосфера Юпитера представляет собой сложную структуру, включающую ударную волну , магнитооболочку , магнитопаузу , магнитохвост , магнитодиск и другие компоненты. 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 встроена в плазму солнечного ветра , которая переносит межпланетное магнитное поле . [10]
Основная часть магнитного поля Юпитера, как и Земли , генерируется внутренним динамо, поддерживаемым циркуляцией проводящей жидкости во внешнем ядре . Но в то время как ядро Земли состоит из расплавленного железа и никеля , поле Юпитера состоит из металлического водорода . [3] Как и у Земли, магнитное поле Юпитера в основном является дипольным , 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 противоположно Земле. [11] Поле Юпитера также имеет квадрупольный , октупольный и более высокие компоненты, хотя они менее одной десятой от дипольного компонента. [2]
Диполь наклонен примерно на 10° от оси вращения Юпитера; наклон аналогичен наклону Земли (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 × 1020 Тл · м3 . Это делает магнитное поле Юпитера примерно в 20 раз сильнее земного, 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 ч 55 мин. Никаких изменений в его силе или структуре не наблюдалось с момента первых измерений, проведенных космическим аппаратом Pioneer в середине 1970-х годов, до 2019 года. Анализ наблюдений с космического аппарата Juno показывает небольшое, но измеримое изменение магнитного поля планеты, наблюдавшееся в эпоху Pioneer. [15] [16] В частности, у Юпитера есть область сильно недипольного поля, известная как «Большое голубое пятно», вблизи экватора. Это может быть примерно аналогично Южно-Атлантической аномалии Земли . Эта область показывает признаки больших вековых изменений . [17]
Внутреннее магнитное поле Юпитера препятствует прямому взаимодействию солнечного ветра , потока ионизированных частиц, испускаемых Солнцем , с его атмосферой , а вместо этого отводит его от планеты, фактически 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 с запасом 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 находится почти в 1700 раз дальше. [18]
Как и в случае с магнитосферой Земли, граница, разделяющая более плотную и холодную плазму солнечного ветра от более горячей и менее плотной плазмы внутри магнитосферы Юпитера, называется магнитопаузой . [ 6] Расстояние от магнитопаузы до центра планеты составляет от 45 до 100 RJ (где RJ =71 492 км — радиус Юпитера) в подсолнечной точке — нефиксированной точке на поверхности, в которой Солнце будет казаться наблюдателю прямо над головой. [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 RJ от центра планеты ) находится ударная волна — возмущение в солнечном ветре, похожее на след , вызванное его столкновением с магнитосферой. [20] [21] Область между ударной волной и магнитопаузой называется магнитооболочкой . [6]
На противоположной стороне планеты солнечный ветер растягивает линии магнитного поля Юпитера в длинный, тянущийся хвост магнитосферы , который иногда простирается далеко за пределы орбиты Сатурна . [22] Структура хвоста магнитосферы Юпитера похожа на земную. Он состоит из двух долей (синие области на рисунке), причем магнитное поле в южной доле направлено к Юпитеру, а в северной — от него. Доли разделены тонким слоем плазмы, называемым токовым слоем хвоста (оранжевый слой в середине). [22]
Форма магнитосферы Юпитера, описанная выше, поддерживается нейтральным током слоя (также известным как ток хвоста магнитосферы), который течет с вращением Юпитера через плазменный слой хвоста , токами хвоста, которые текут против вращения Юпитера на внешней границе хвоста магнитосферы, и токами магнитопаузы (или токами Чепмена-Ферраро), которые текут против вращения вдоль дневной магнитопаузы. [11] Эти токи создают магнитное поле, которое нейтрализует внутреннее поле снаружи магнитосферы. [22] Они также существенно взаимодействуют с солнечным ветром. [11]
Магнитосфера Юпитера традиционно делится на три части: внутреннюю, среднюю и внешнюю магнитосферу. Внутренняя магнитосфера расположена на расстоянии ближе 10 R J от планеты. Магнитное поле внутри нее остается приблизительно дипольным, поскольку вклады от токов, текущих в экваториальном плазменном слое магнитосферы, малы. В средней (между 10 и 40 R J ) и внешней (дальше 40 R J ) магнитосферах магнитное поле не является дипольным и серьезно нарушается его взаимодействием с плазменным слоем (см. магнитодиск ниже). [6]
Хотя в целом форма магнитосферы Юпитера напоминает форму земной, ближе к планете ее структура сильно отличается. [19] Вулканически активный спутник Юпитера Ио сам по себе является мощным источником плазмы и загружает магнитосферу Юпитера до 1000 кг нового материала каждую секунду. [7] Сильные вулканические извержения на Ио выбрасывают огромное количество диоксида серы , большая часть которого диссоциирует на атомы и ионизируется электронными ударами и , в меньшей степени, солнечным ультрафиолетовым излучением , производя ионы серы и кислорода . Дальнейшие электронные удары создают более высокое зарядовое состояние, 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 вблизи орбиты Ио. [7] Температура плазмы внутри тора составляет 10–100 эВ (100 000–1 000 000 К), что намного ниже, чем у частиц в радиационных поясах — 10 кэВ (100 миллионов К). Плазма в торе вынуждена вращаться совместно с Юпитером, что означает, что они оба имеют одинаковый период вращения. [24] Тор Ио фундаментально изменяет динамику магнитосферы Юпитера. [25]
В результате нескольких процессов — диффузия и неустойчивость взаимообмена являются основными механизмами выхода — плазма медленно утекает от Юпитера. [24] По мере того, как плазма движется дальше 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 изгибается против вращения. [26] Плотность числа частиц плазмы уменьшается с примерно 2000 см −3 в торе Ио до примерно 0,2 см −3 на расстоянии 35 RJ . [27] В средней магнитосфере, на расстояниях более 10 RJ от Юпитера, совместное вращение постепенно нарушается, и плазма начинает вращаться медленнее, чем планета. [ 6 ] В конечном итоге на расстояниях более примерно 40 RJ (во внешней магнитосфере) эта плазма больше не удерживается магнитным полем и покидает магнитосферу через хвост магнитосферы. [28] По мере того, как холодная, плотная плазма движется наружу, она заменяется горячей, малоплотной плазмой с температурой до 20 кэВ (200 миллионов К) или выше, движущейся из внешней магнитосферы. [27] Часть этой плазмы, адиабатически нагреваемой по мере приближения к Юпитеру, [29] может образовывать радиационные пояса во внутренней магнитосфере Юпитера. [7]
В то время как магнитное поле Земли имеет примерно каплевидную форму, поле Юпитера более плоское, больше похожее на диск, и периодически «колеблется» вокруг своей оси. [30] Основными причинами этой дискообразной конфигурации являются центробежная сила вращающейся плазмы и тепловое давление горячей плазмы, обе из которых растягивают линии магнитного поля Юпитера , образуя сплющенную блинообразную структуру, известную как магнитодиск, на расстояниях более 20 R J от планеты. [6] [31] Магнитодиск имеет тонкий токовый слой в средней плоскости, [23] примерно около магнитного экватора . Линии магнитного поля направлены от Юпитера над слоем и к Юпитеру под ним. [19] Нагрузка плазмы от Ио значительно увеличивает размер магнитосферы Юпитера, поскольку магнитодиск создает дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра. [20] При отсутствии Ио расстояние от планеты до магнитопаузы в подсолнечной точке было бы не более 42 R J , тогда как на самом деле оно в среднем составляет 75 R J. [6]
Конфигурация поля магнитодиска поддерживается азимутальным кольцевым током (не аналогом кольцевого тока Земли), который течет 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 плазму от выхода за пределы планеты. Общий 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 указывает в направлении вращения, [11] сила Лоренца , которая возникает в результате этого движения, движет отрицательно заряженные электроны к полюсам, в то время как положительно заряженные ионы выталкиваются к экватору. [34] В результате полюса становятся отрицательно заряженными, а области, расположенные ближе к экватору, становятся положительно заряженными. Поскольку магнитосфера Юпитера заполнена высокопроводящей плазмой, электрическая цепь замыкается через нее. [34] Ток, называемый постоянным током [примечание 2], течет вдоль линий магнитного поля от ионосферы к экваториальному плазменному слою. Этот ток затем течет радиально от планеты в пределах экваториального плазменного слоя и, наконец, возвращается в планетарную ионосферу из внешних пределов магнитосферы вдоль линий поля, соединенных с полюсами. Токи, которые текут вдоль линий магнитного поля, обычно называются выровненными по полю или токами Биркеланда . [26] Радиальный ток взаимодействует с планетарным магнитным полем, и результирующая сила Лоренца ускоряет магнитосферную плазму в направлении планетарного вращения. Это основной механизм, который поддерживает 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 упоминалось выше, совместное вращение нарушается в области, расположенной между 20 и 40 R J от Юпитера. Эта область соответствует магнитодиску, где магнитное поле сильно растянуто. [35] Сильный постоянный ток, текущий в магнитодиск, возникает в очень ограниченном широтном диапазоне около 16 ± 1 ° от магнитных полюсов Юпитера. Эти узкие круговые области соответствуют основным авроральным овалам Юпитера . (См. ниже.) [36] Обратный ток, текущий из внешней магнитосферы за пределами 50 R J, входит в ионосферу Юпитера вблизи полюсов, замыкая электрическую цепь. Полный радиальный ток в магнитосфере Юпитера оценивается в 60 миллионов–140 миллионов ампер. [26] [34]
Ускорение плазмы в совместном вращении приводит к передаче энергии от вращения Юпитера в кинетическую энергию плазмы. [6] [25] В этом смысле магнитосфера Юпитера питается вращением планеты, тогда как магнитосфера Земли питается в основном солнечным ветром. [25]
Основная проблема , с которой приходится сталкиваться при расшифровке динамики магнитосферы Юпитера, — это перенос тяжелой холодной плазмы из тора Ио на расстоянии 6 R J во внешнюю магнитосферу на расстояниях более 50 R J. [35] Точный механизм этого процесса неизвестен, но предполагается, что он происходит в результате диффузии плазмы из-за неустойчивости взаимообмена. Процесс похож на неустойчивость Рэлея-Тейлора в гидродинамике . [24] В случае магнитосферы Юпитера роль гравитации играет центробежная сила ; тяжелая жидкость — это холодная и плотная ионийская (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 трубками потока, заполненными плазмой. Плавучие пустые трубки потока движутся к планете, одновременно отталкивая тяжелые трубки, заполненные ионической плазмой, от Юпитера. [24] Этот обмен потоковыми трубками является формой магнитосферной турбулентности . [37]
.png/1280px-Jovian_magnetosphere_(view_from_the_north_pole).png)
Эта весьма гипотетическая картина обмена потоковыми трубками была частично подтверждена космическим аппаратом Galileo , который обнаружил области резко пониженной плотности плазмы и повышенной напряженности поля во внутренней магнитосфере. [24] Эти пустоты могут соответствовать почти пустым потоковым трубкам, прибывающим из внешней магнитосферы. В средней магнитосфере Galileo обнаружил так называемые события инжекции, которые происходят, когда горячая плазма из внешней магнитосферы сталкивается с магнитодиском, что приводит к увеличению потока энергичных частиц и усилению магнитного поля. [39] Пока не известно ни одного механизма, объясняющего перенос холодной плазмы наружу.
Когда потоковые трубки, загруженные холодной ионической плазмой, достигают внешней магнитосферы, они проходят через процесс пересоединения , который отделяет магнитное поле от плазмы. [35] Первые возвращаются во внутреннюю магнитосферу в виде потоковых трубок, заполненных горячей и менее плотной плазмой, в то время как последние, вероятно, выбрасываются вниз по хвосту магнитосферы в виде плазмоидов — больших сгустков плазмы. Процессы пересоединения могут соответствовать событиям глобальной реконфигурации, также наблюдавшимся космическим аппаратом Галилео, которые происходили регулярно каждые 2–3 дня. [40] События реконфигурации обычно включали быстрое и хаотическое изменение напряженности и направления магнитного поля, а также резкие изменения в движении плазмы, которая часто прекращала совместное вращение и начинала вытекать наружу. Они в основном наблюдались в утреннем секторе ночной магнитосферы. [40] Плазма, стекающая вниз по хвосту вдоль открытых силовых линий, называется планетарным ветром. [23] [41]
События пересоединения аналогичны магнитным суббурям в магнитосфере Земли. [35] Разница, по-видимому, заключается в их соответствующих источниках энергии: земные суббури включают в себя хранение энергии солнечного ветра в хвосте магнитосферы с последующим ее высвобождением через событие пересоединения в нейтральном токовом слое хвоста. Последнее также создает плазмоид, который движется вниз по хвосту. [42] Наоборот, в магнитосфере Юпитера энергия вращения хранится в магнитодиске и высвобождается, когда плазмоид отделяется от него. [40]
В то время как динамика магнитосферы Юпитера в основном зависит от внутренних источников энергии, солнечный ветер, вероятно, также играет свою роль, [43] особенно как источник высокоэнергетических протонов . [примечание 3] [7] Структура внешней магнитосферы демонстрирует некоторые черты магнитосферы, управляемой солнечным ветром, включая значительную асимметрию рассвета и заката. [26] В частности, линии магнитного поля в секторе заката изогнуты в противоположном направлении по сравнению с линиями в секторе рассвета. [26] Кроме того, магнитосфера рассвета содержит открытые линии поля, соединяющиеся с хвостом магнитосферы, тогда как в магнитосфере заката линии поля замкнуты. [22] Все эти наблюдения указывают на то, что процесс пересоединения, управляемый солнечным ветром, известный на Земле как цикл Данжи , также может иметь место 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 из радиационных поясов показывают 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, устойчивые полярные сияния вокруг обоих полюсов. В отличие от полярных сияний Земли, которые являются преходящими и происходят только во время повышенной солнечной активности, полярные сияния Юпитера являются постоянными, хотя их интенсивность меняется изо дня в день. Они состоят из трех основных компонентов: основные овалы, которые представляют собой яркие, узкие (менее 1000 км в ширину) круглые образования, расположенные примерно в 16° от магнитных полюсов; [48] полярные пятна спутников, которые соответствуют следам линий магнитного поля, соединяющих ионосферу Юпитера с ионосферой его крупнейших лун, и транзитные полярные излучения, расположенные внутри основных овалов (эллиптическое поле может оказаться лучшим описанием). [48] [49] Полярные излучения были обнаружены почти во всех частях электромагнитного спектра от радиоволн до рентгеновских лучей (до 3 кэВ); Чаще всего они наблюдаются в средней инфракрасной (длина волны 3–4 мкм и 7–14 мкм) и дальней ультрафиолетовой областях спектра (длина волны 120–180 нм). [9]
Главные овалы являются доминирующей частью полярных сияний Юпитера. Они имеют примерно стабильные формы и местоположения, [49] но их интенсивность сильно модулируется давлением солнечного ветра — чем сильнее солнечный ветер, тем слабее полярные сияния. [50] Как упоминалось выше, главные 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] Перепады потенциала возникают из-за того, что разреженная плазма за пределами экваториального слоя может переносить ток только ограниченной силы, не вызывая нестабильности и не создавая перепадов потенциала. [36] Выпадающие электроны имеют энергию в диапазоне 10–100 кэВ и проникают глубоко в атмосферу Юпитера, где они ионизируют и возбуждают молекулярный водород, вызывая ультрафиолетовое излучение. [52] Общий объем энергии, поступающей в ионосферу, составляет 10–100 ТВт . [53] Кроме того, токи, протекающие в ионосфере, нагревают ее с помощью процесса, известного как джоулев нагрев . Этот нагрев, который производит до 300 ТВт мощности, отвечает за сильное инфракрасное излучение от юпитерианских полярных сияний и частично за нагрев термосферы Юпитера. [54]
Пятна, как было обнаружено, соответствуют галилеевым лунам Ио, Европе и Ганимеду . [55] Они развиваются, потому что совместное вращение плазмы взаимодействует с лунами и замедляется в их непосредственной близости. Самое яркое пятно принадлежит Ио, который является основным источником плазмы в магнитосфере (см. выше). Считается, что ионическое полярное сияние связано с альвеновскими токами, текущими из ионосферы Юпитера в ионосферу. Пятно Европы похоже, но гораздо тусклее, поскольку имеет более разреженную атмосферу и является более слабым источником плазмы. Атмосфера Европы образуется путем сублимации водяного льда с ее поверхностей, а не вулканической активности, которая создает атмосферу Ио. [56] У Ганимеда есть внутреннее магнитное поле и собственная магнитосфера . 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 было замечено только один раз по состоянию на июнь 2019 года. [57] [58] Обычно линии магнитного поля, связанные с Каллисто, касаются атмосферы Юпитера очень близко или вдоль основного овала полярных сияний, что затрудняет обнаружение пятна полярного сияния Каллисто.
Яркие дуги и пятна спорадически появляются внутри основных овалов. Считается, что эти переходные явления связаны с взаимодействием либо с солнечным ветром, либо с динамикой внешней магнитосферы. [49] Считается, что линии магнитного поля в этой области открыты или отображаются на хвосте магнитосферы. [49] Вторичные овалы иногда наблюдаются внутри основного овала и могут быть связаны с границей между открытыми и закрытыми линиями магнитного поля или с полярными каспами . [59] Полярные авроральные излучения могут быть похожи на те, которые наблюдаются вокруг полюсов Земли: они появляются, когда электроны ускоряются по направлению к планете из-за перепадов потенциала во время пересоединения солнечного магнитного поля с планетарным. [35] Области внутри основных овалов испускают большую часть авроральных рентгеновских лучей. Спектр аврорального рентгеновского излучения состоит из спектральных линий высокоионизированного кислорода и серы, которые, вероятно, появляются, когда энергичные (сотни килоэлектронвольт) ионы S и O выпадают в полярную атмосферу Юпитера. Источник этих осадков остается неизвестным, но это не согласуется с теорией, что эти линии магнитного поля открыты и связаны с солнечным ветром. [46]
Юпитер является мощным источником радиоволн в спектральных областях, простирающихся от нескольких килогерц до десятков мегагерц . Радиоволны с частотами менее 0,3 МГц (и, следовательно, длинами волн более 1 км) называются километровым излучением Юпитера или KOM. Радиоволны с частотами в интервале 0,3–3 МГц (с длинами волн 100–1000 м) называются гектометровым излучением или HOM, в то время как излучения в диапазоне 3–40 МГц (с длинами волн 10–100 м) называются декаметровым излучением или DAM. Последнее излучение было первым, которое наблюдалось с Земли, и его приблизительно 10-часовая периодичность помогла идентифицировать его как исходящее от Юпитера. Самая сильная часть декаметрового излучения, которая связана с Ио и с токовой системой Ио–Юпитер, называется Io-DAM. [60] [примечание 4]
Предполагается, что большинство этих излучений создается механизмом, называемым «нестабильность циклотронного мазера», который развивается вблизи полярных сияний. Электроны, движущиеся параллельно магнитному полю, выпадают в атмосферу, в то время как те, у которых достаточная перпендикулярная скорость, отражаются сходящимся магнитным полем . Это приводит к нестабильному распределению скоростей . Это распределение скоростей спонтанно генерирует радиоволны на локальной электронной циклотронной частоте . Электроны, участвующие в генерации радиоволн, вероятно, являются теми, которые переносят токи от полюсов планеты к магнитодиску. [61] Интенсивность радиоизлучения Юпитера обычно плавно меняется со временем. Однако существуют короткие и мощные всплески (S-всплески) излучения, наложенные на более постепенные изменения, которые могут затмить все другие компоненты. Общая излучаемая мощность компонента DAM составляет около 100 ГВт, в то время как мощность всех других компонентов HOM/KOM составляет около 10 ГВт. Для сравнения, общая мощность радиоизлучения Земли составляет около 0,1 ГВт. [60]
Радиоизлучение и излучение частиц Юпитера сильно модулируются его вращением, что делает планету в некоторой степени похожей на пульсар . [62] Эта периодическая модуляция, вероятно, связана с асимметрией в магнитосфере Юпитера, которая вызвана наклоном магнитного момента относительно оси вращения, а также высокоширотными магнитными аномалиями . Физика, управляющая радиоизлучением Юпитера, похожа на физику радиопульсаров. Они отличаются только масштабом, и Юпитер также можно считать очень маленьким радиопульсаром . [62] Кроме того, радиоизлучение Юпитера сильно зависит от давления солнечного ветра и, следовательно, от солнечной активности . [60]
В дополнение к относительно длинноволновому излучению Юпитер также испускает синхротронное излучение (также известное как дециметровое излучение Юпитера или излучение DIM) с частотами в диапазоне 0,1–15 ГГц (длина волны от 3 м до 2 см). [63] Эти излучения исходят от релятивистских электронов, захваченных во внутренних радиационных поясах планеты. Энергия электронов, которые вносят вклад в излучение DIM, составляет от 0,1 до 100 МэВ, [64] в то время как основной вклад вносят 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 в радиационных поясах возникают во внешней магнитосфере и адиабатически ускоряются, когда они переносятся во внутреннюю магнитосферу. [29] Однако для этого требуется исходная популяция электронов с умеренно высокой энергией (>> 1 кэВ), а происхождение этой популяции не совсем понятно.
Магнитосфера Юпитера выбрасывает потоки электронов и ионов высокой энергии (энергия до десятков мегаэлектронвольт ), которые достигают орбиты Земли. [66] Эти потоки сильно коллимированы и изменяются в зависимости от периода вращения планеты, как и радиоизлучение. В этом отношении Юпитер также проявляет сходство с пульсаром. [62]
Обширная магнитосфера Юпитера охватывает его кольцевую систему и орбиты всех четырех галилеевых спутников . [67] Двигаясь по орбите вблизи магнитного экватора, эти тела служат источниками и стоками магнитосферной плазмы, в то время как энергичные частицы из магнитосферы изменяют их поверхности. Частицы распыляют материал с поверхностей и создают химические изменения посредством радиолиза . [68] Совместное вращение плазмы с планетой означает, что плазма предпочтительно взаимодействует с полушариями лун, вызывая заметные полусферические асимметрии. [69]
Вблизи Юпитера кольца планеты и малые луны поглощают высокоэнергетические частицы (энергия выше 10 кэВ) из радиационных поясов. [70] Это создает заметные разрывы в пространственном распределении поясов и влияет на дециметровое синхротронное излучение. Фактически, существование колец Юпитера было впервые выдвинуто на основе данных с космического аппарата Pioneer 11 , который обнаружил резкое падение числа 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 похоже на поведение совместно вращающихся ионов . [71] Резонансные взаимодействия между совместным вращением и орбитальным движением частиц использовались для объяснения создания самого внутреннего гало-кольца Юпитера (расположенного между 1,4 и 1,71 R J ). Это кольцо состоит из субмикронных частиц на сильно наклоненных и эксцентричных 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 1,71 R J , что увеличивает их наклоны и эксцентриситеты. [примечание 5] Другой резонанс Лоренца 2:1 на 1,4 R j определяет внутреннюю границу кольца гало. [73]
Все галилеевы луны имеют тонкие атмосферы с поверхностным давлением в диапазоне 0,01–1 нбар , которые, в свою очередь, поддерживают существенные ионосферы с электронной плотностью в диапазоне 1000–10 000 см −3 . [67] Совместный поток холодной магнитосферной плазмы частично отклоняется вокруг них токами, индуцированными в их ионосферах, создавая клиновидные структуры, известные как крылья Альвена. [75] Взаимодействие больших лун с совместным потоком похоже на взаимодействие солнечного ветра с ненамагниченными планетами, такими как Венера , хотя скорость совместного вращения обычно дозвуковая [примечание 6] (скорости варьируются от 74 до 328 км/с), что предотвращает образование ударной волны . [76] Давление совращающейся плазмы непрерывно вытягивает газы из атмосфер лун (особенно из атмосферы Ио), и некоторые из этих атомов ионизируются и приводятся в совращательное движение. Этот процесс создает газовые и плазменные торы вблизи орбит лун, причем ионический тор является наиболее заметным. [67] Фактически, галилеевы луны (в основном Ио) служат основными источниками плазмы во внутренней и средней магнитосфере Юпитера. Между тем, энергичные частицы в значительной степени не подвержены влиянию альвеновских крыльев и имеют свободный доступ к поверхностям лун (за исключением Ганимеда). [77]
Ледяные галилеевы луны, Европа , Ганимед и Каллисто , все 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 подповерхностных слоях соленой воды, которые, вероятно, существуют во всех крупных ледяных лунах Юпитера. Эти подземные океаны потенциально могут содержать жизнь, и доказательство их присутствия стало одним из самых важных открытий, сделанных в 1990-х годах космическими аппаратами . [78]
Взаимодействие магнитосферы Юпитера с Ганимедом, имеющим собственный магнитный момент, отличается от его взаимодействия с ненамагниченными лунами. [78] Внутреннее магнитное поле Ганимеда вырезает полость внутри магнитосферы Юпитера диаметром приблизительно в два диаметра Ганимеда, создавая мини-магнитосферу внутри магнитосферы Юпитера. Магнитное поле Ганимеда отклоняет вращающийся поток плазмы вокруг его магнитосферы. Оно также защищает экваториальные области луны, где силовые линии замкнуты, от энергичных частиц. Последние все еще могут свободно ударять по полюсам Ганимеда, где силовые линии разомкнуты. [79] Некоторые из энергичных частиц захватываются вблизи экватора Ганимеда, создавая мини-радиационные пояса. [80] Энергичные электроны, попадающие в его тонкую атмосферу, ответственны за наблюдаемые полярные сияния Ганимеда. [79]
Заряженные частицы оказывают значительное влияние на свойства поверхности галилеевых лун. Плазма, исходящая от Ио, переносит ионы серы и натрия дальше от планеты, [81] где они преимущественно внедряются в задние полушария Европы и Ганимеда. [82] Однако на Каллисто по неизвестным причинам сера концентрируется в ведущем полушарии. [83] Плазма также может быть ответственна за затемнение задних полушарий лун (опять же, за исключением Каллисто). [69] Энергичные электроны и ионы, поток которых более изотропен, бомбардируют поверхностный лед, распыляя атомы и молекулы и вызывая радиолиз воды и других химических соединений . Энергичные частицы расщепляют воду на кислород и водород , поддерживая тонкие кислородные атмосферы ледяных лун (поскольку водород улетучивается быстрее). Соединения, образующиеся радиолитически на поверхностях галилеевых лун, также включают озон и перекись водорода . [84] Если присутствуют органические вещества или карбонаты , также могут образовываться углекислый газ , метанол и угольная кислота . В присутствии серы вероятными продуктами являются диоксид серы, сероводород и серная кислота . [84] Окислители, образующиеся в результате радиолиза, такие как кислород и озон, могут быть захвачены внутри льда и переноситься вниз к океанам в течение геологических временных интервалов, таким образом, выступая в качестве возможного источника энергии для жизни. [81]
Первые доказательства существования магнитного поля Юпитера появились в 1955 году, с открытием декаметрового радиоизлучения или DAM. [85] Поскольку спектр DAM расширился до 40 МГц , астрономы пришли к выводу, что Юпитер должен обладать магнитным полем с максимальной напряженностью более 1 миллитеслы ( 10 гаусс ). [63]
В 1959 году наблюдения в микроволновой части электромагнитного (ЭМ) спектра (0,1–10 ГГц ) привели к открытию дециметрового излучения Юпитера (DIM) и осознанию того, что это было синхротронное излучение, испускаемое релятивистскими электронами, захваченными в радиационных поясах планеты. [86] Эти синхротронные излучения были использованы для оценки количества и энергии электронов вокруг Юпитера и привели к улучшенным оценкам магнитного момента и его наклона. [7]
К 1973 году магнитный момент был известен с точностью до двух, 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 аппарат Pioneer 10 пролетел вблизи планеты. [1] [примечание 7]
По состоянию на 2009 год вокруг Юпитера пролетело восемь космических аппаратов, и все они внесли свой вклад в современные знания о магнитосфере Юпитера. Первым космическим зондом, достигшим Юпитера, был Pioneer 10 в декабре 1973 года, который прошел в пределах 2,9 R J [18] от центра планеты. [1] Его близнец Pioneer 11 посетил Юпитер годом позже, двигаясь по сильно наклонной траектории и приблизившись к планете на расстояние 1,6 R J . [18]
Pioneer 10 обеспечил наилучшее покрытие внутреннего магнитного поля [6], когда он проходил через внутренние радиационные пояса в пределах 20 R J , получив интегральную дозу 200 000 рад от электронов и 56 000 рад от протонов (для человека доза облучения всего тела в 500 рад была бы смертельной). [87] Уровень радиации на Юпитере был в десять раз мощнее, чем предсказывали конструкторы Pioneer, 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 тот момент слегка «качнулась» вверх, удаляясь от космического корабля. Однако Pioneer 11 действительно потерял большинство изображений Ио, поскольку излучение заставило его фотополяриметр для получения изображений получить ряд ложных команд. Последующий и гораздо более технологически продвинутый космический корабль «Вояджер» пришлось перепроектировать, чтобы справиться с огромными уровнями радиации. [30]
Voyager 1 и 2 прибыли к Юпитеру в 1979–1980 годах и прошли почти в его экваториальной плоскости. Voyager 1 , который прошел в пределах 5 R J от центра планеты, [18] первым столкнулся с плазменным тором Ио. [6] Он получил дозу радиации в тысячу раз превышающую смертельный уровень для человека, повреждения привели к серьезному ухудшению некоторых изображений высокого разрешения Ио и Ганимеда. [88] Voyager 2 прошел в пределах 10 R J [18] и обнаружил токовый слой в экваториальной плоскости. Следующим зондом, приблизившимся к Юпитеру, был Ulysses в 1992 году, который исследовал полярную магнитосферу планеты. [6]
Космический аппарат Galileo , который вращался вокруг Юпитера с 1995 по 2003 год, обеспечил всестороннее покрытие магнитного поля Юпитера вблизи экваториальной плоскости на расстояниях до 100 R J. Изучаемые регионы включали магнитный хвост и рассветные и вечерние секторы магнитосферы. [6] Хотя Galileo успешно выжил в суровой радиационной среде Юпитера, он все еще испытывал несколько технических проблем. В частности, гироскопы космического аппарата часто показывали повышенные ошибки. Несколько раз между вращающимися и невращающимися частями космического аппарата возникали электрические дуги , заставляя его переходить в безопасный режим , что приводило к полной потере данных с 16-й, 18-й и 33-й орбит. Излучение также вызывало фазовые сдвиги в сверхстабильном кварцевом генераторе Galileo . [89]
Когда космический аппарат Кассини пролетал мимо Юпитера в 2000 году, он проводил скоординированные измерения с Галилео . [6] Новые горизонты прошли близко к Юпитеру в 2007 году, выполнив уникальное исследование магнитосферного хвоста Юпитера, пройдя по его длине до 2500 R J. [38] В июле 2016 года Juno был выведен на орбиту Юпитера, его научные цели включают исследование полярной магнитосферы Юпитера. [90] Охват магнитосферы Юпитера остается намного хуже, чем магнитного поля Земли. Дальнейшие исследования важны для дальнейшего понимания динамики магнитосферы Юпитера. [6]
В 2003 году НАСА провело концептуальное исследование под названием «Исследование человеком внешних планет» (HOPE) относительно будущего исследования человеком внешней части Солнечной системы . Была обсуждена возможность строительства наземной базы на Каллисто из-за низкого уровня радиации на расстоянии луны от Юпитера и его геологической стабильности. Каллисто является единственным из галилеевых спутников Юпитера, для которого возможно исследование человеком. Уровни ионизирующего излучения на Ио, Европе и Ганимеде неблагоприятны для человеческой жизни, и адекватные защитные меры еще не разработаны. [91]
Миссия Juno New Frontiers к Юпитеру была запущена в 2011 году и прибыла на Юпитер в 2016 году. Она включает в себя набор инструментов, предназначенных для лучшего изучения магнитосферы, в том числе магнитометр, а также другие устройства, такие как детектор плазмы и радиоволн, называемый Waves .
Инструмент JADE ( Эксперимент по распределению полярных сияний на Юпитере ) также должен помочь понять магнитосферу. [92]
Основной целью миссии Juno является исследование полярной магнитосферы Юпитера. Хотя Ulysses на короткое время достиг широты ~48 градусов, это было на относительно больших расстояниях от Юпитера (~8,6 RJ). Таким образом, полярная магнитосфера Юпитера является в значительной степени неизведанной территорией, и, в частности, область аврорального ускорения никогда не посещалась. ...
— Исследование волн для миссии «Юнона» на Юпитер [93]
Juno выявила 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 выровненных по полю токов ( токов Биркеланда ), связанных с главным полярным сиянием. [94]
Одной из целей миссии Европейского космического агентства Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), запущенной в апреле 2023 года, является изучение магнитного поля Ганимеда и его влияния на Юпитер. Tianwen-4 — это предлагаемая китайская миссия, которая либо исследует луну Каллисто, либо соберет больше информации об Ио.
