| Nyítás | |
|---|---|
| Felfedező | Pioneer-10 |
| nyitás dátuma | 1973. december [1] |
| Belső mező | |
| Jupiter sugara | 71 492 km |
| Mágneses pillanat | 1,56⋅10 20 T m³ _ |
| Egyenlítői térerősség | 428 μT (4,28 gauss ) |
| dipólus hajlam | ~10° |
| Dipólustengely hosszúság | ~159° |
| Forgatási időszak | 9 óra 55 m 29,7 ± 0,1 s |
| A napszél jellemzői | |
| Sebesség | 400 km/s [2] |
| IMF feszültség | 1 nT |
| Sűrűség | 0,4 cm -3 |
| A magnetoszféra jellemzői | |
| Íj robbanási távolság | ~82 R J [3] [4] [5] |
| Magnetopauza távolság | 50-100 R J |
| A mágnesfarok hossza | több mint 7000 RJ |
| Alap ionok | O + , S + és H + |
| Plazmaforrások | Io , napszél , ionoszféra |
| Tömeges beáramlási sebesség | ~1000 kg/s |
| Maximális plazma sűrűség | 2000 cm −3 [6] [7] [8] |
| Maximális részecskeenergia | 100 MeV felett |
| Sarki fény | |
| Spectrum | rádiósugárzás, közeli infravörös sugárzás , UV és röntgensugárzás |
| Teljes teljesítmény | 100 TW [9] |
| Rádiófrekvenciák | 0,01-40 MHz _ |
A Jupiter magnetoszférája a napszélben a Jupiter bolygómágneses tere által létrehozott üreg , ahol a napszél, a bolygóközi mágneses mező, a Jupiter saját mágneses tere és a környező plazma közötti kölcsönhatás különböző folyamatai zajlanak. A Nap felé több mint 7 millió kilométerre , az ellenkező irányú majdnem a Szaturnusz pályájáig terjedő Jupiter magnetoszférája a legnagyobb és legerősebb bolygó magnetoszféra a Naprendszerben , térfogatát tekintve pedig a legnagyobb folytonos szerkezet a Naprendszerben. a Naprendszer a helioszféra után . A Föld magnetoszférájánál szélesebb és laposabb , a Jupiteré több nagyságrenddel erősebb, mágneses momentuma pedig körülbelül 18 000-szer nagyobb. A Jupiter magnetoszférájának létezésére az 1950-es évek végén végzett rádiómegfigyelések során derült fény, amelyet először közvetlenül a Pioneer 10 készülék figyelt meg 1973-ban.
A Jupiter belső mágneses terét a bolygó külső magjában áramló elektromos áram hozza létre, amely fémes hidrogénből áll . A Jupiter Io holdján a vulkánkitörések nagy mennyiségű kén-oxidot lövellnek ki az űrbe , és nagy gáztóruszt képeznek a bolygó körül. A Jupiter mágneses mezejének erői hatására a tórusz ugyanolyan szögsebességgel és irányban forog, mint a bolygóé. A Thor plazmával tölti fel a bolygó mágneses mezőjét , amely forgás közben egy palacsintaszerű szerkezetté nyúlik, amelyet mágneses korongnak neveznek . Lényegében a Jupiter magnetoszféráját az Io plazmája és saját forgása sokkal nagyobb mértékben alakítja, mint a napszél , ellentétben a Földével. A magnetoszférában áramló erős áramok tartós aurórákat okoznak a bolygópólusok körül, és észrevehető ingadozásokat okoznak a rádiósugárzásban, ami azt jelenti, hogy a Jupiter bizonyos szempontból nagyon gyenge rádiópulzárnak tekinthető . A Jupiter auróráit az elektromágneses spektrum szinte minden részén megfigyelték , beleértve az infravörös , a látható , az ultraibolya és a lágy röntgensugárzást is .
A magnetoszféra becsapódása befogja és felgyorsítja a részecskéket, és a Föld Van Allen övéhez hasonló intenzív sugárzási öveket hoz létre , de több ezerszer erősebb. Az energetikai részecskék kölcsönhatása a Jupiter legnagyobb műholdjainak felületével észrevehetően befolyásolja azok kémiai összetételét és fizikai jellemzőit. Ezeknek a részecskéknek a hatása a por és a kődarabok mozgását is befolyásolja a Jupiter jelentéktelen gyűrűrendszerében . A sugárzási övek komoly veszélyt jelentenek az űrhajókra és a potenciális emberes expedíciókra.
A Jupiter magnetoszférája egy összetett szerkezet, amely magában foglalja az íjütést , a magnetoszférát , a magnetopauzát, a magnetofarkot , a magnetodiszkot és más alkatrészeket. A Jupiter körüli mágneses tér számos jelenség következtében jön létre, például a bolygó magjában folyó folyadékkeringés (belső tér), a Jupitert körülvevő plazmában áramló elektromos áram és a planetáris magnetoszféra határán folyó áramok miatt. A magnetoszféra elmerül a napszélplazmában , amely magában hordozza a bolygóközi mágneses teret . [tíz]
A Jupiter mágneses mezőjének nagy részét, akárcsak a Földét , egy belső dinamó generálja, amelyet egy elektromosan vezető folyadék keringése tart fenn a külső magban. De míg a Föld magja olvadt vasból és nikkelből áll, addig a Jupiter magja fémes hidrogénből [4] . A Földéhez hasonlóan a Jupiter mágneses tere elsősorban egy dipólus , a mágneses tengely ellentétes végén északi és déli mágneses pólusokkal [3] . A Jupiteren azonban a dipólus északi és déli mágneses pólusa a bolygó ugyanazon féltekén, míg a Föld esetében éppen ellenkezőleg, a dipólus északi mágneses pólusa a déli féltekén található, ill. a déli - az északi [11] [1. jegyzet] . A Jupiter mágneses tere magasabb többpólusú komponenseket is tartalmaz - kvadrupól , oktupólus stb., de ezek legalább egy nagyságrenddel gyengébbek a dipólus komponensnél [3] .
A dipólus körülbelül 10°-kal meg van dőlve a Jupiter forgástengelyéhez képest; ez a dőlésszög közel van a Földhöz (11,3°) [1] [3] . A mágneses tér ekvatoriális indukciója hozzávetőlegesen 428 μT (4,28 G , körülbelül 10-szerese a földinek), ami körülbelül 1,53⋅10 20 T m³ ( a földi 18 000 - szerese ) dipólus mágneses momentumnak felel meg [4] [2 . A Jupiter mágneses tere ugyanolyan szögsebességgel forog , mint az atmoszféra alatti tartomány, 9 óra 55 m periódussal. Az 1970-es évek közepén, a Pioneer 10 első mérései óta nem figyeltek meg észrevehető változást az erőben vagy a szerkezetben [3. .
A Jupiter belső mágneses tere akadályt képez a napszél útjában , egy ionizált részecskék áramlata a nap felső légköréből , megakadályozva, hogy az ionáramlások elérjék a Jupiter légkörét , eltérítsék őket a bolygótól, és egyfajta üreget hozzon létre a napelemben. a magnetoszférának nevezett szél, amely a napszél plazmájától eltérő plazmából áll [6] . A Jupiter magnetoszférája akkora, hogy ha a Napot a látható koronájával együtt helyezzük el, akkor is lesz elég hely [12] . Ha a Földről megfigyelhető lenne, több mint ötszörösét foglalná el a telihold helyének az égen , annak ellenére, hogy a Jupiter több mint 1700-szor messzebb van a Holdnál [12] .
A Föld magnetoszférájához hasonlóan a napszél sűrűbb és hidegebb plazmáját a Jupiter magnetoszférájában a forróbb és kevésbé sűrű plazmától elválasztó határt magnetopauzának nevezzük [6] . A magnetopauza és a bolygó közepe közötti távolság 45-100 RJ (ahol RJ = 71 492 km a Jupiter sugara) a Nap alatti pontban , a bolygó felszínének egy nem rögzített pontjában, ahol a Nap közvetlenül a megfigyelő felett lesz. [6] . A magnetopauza helyzete a napszél által kifejtett nyomástól függ, ami viszont a naptevékenység szintjétől függ [13] . A magnetopauza előtt ( a bolygó középpontjától 80-130 R J távolságra) orrlökés , hullámszerű zavar lép fel a napszélben, amelyet a magnetoszférával való ütközés okoz [14] [15] . A magnetopauza és az íjsokk közötti tartományt mágneses átmeneti rétegnek vagy magnetoshüvelynek nevezzük [6] .
A bolygó éjszakai oldalán túl a napszél a Jupiter mágneses erővonalait egy hosszú, megnyúlt mágnesfarokba húzza, amely néha a Szaturnusz pályáján is túlnyúlik . [16] Szerkezetében a jovi magnetoszféra farka a Földéhez hasonlít. Két "sziromból" áll (az ábrán kékkel jelölt területek). A déli lebeny mágneses mezője a Jupiter felé irányul, északon pedig attól távol. A szirmokat vékony plazmaréteg választja el egymástól, amelyet farokáram - lapnak neveznek (a diagramon megnyúlt narancssárga zóna) [16] . A Földhöz hasonlóan a Jupiter magnetoszférikus farka egy csatorna, amelyen keresztül a napplazma a magnetoszféra belső területeibe jut, ahol felmelegszik, és a Jupitertől 10 RJ - nél kisebb távolságra sugárzó öveket képez [ 17] .
A Jupiter magnetoszférájának fent leírt alakját alátámasztják:
A Jupiter magnetoszféráját hagyományosan három részre osztják: a belső, a középső és a külső magnetoszférára. A belső legfeljebb 10 R J távolságra fekszik a bolygó középpontjától. A benne lévő mágneses tér túlnyomórészt dipólus, mivel az egyenlítői plazmalemezen áthaladó áramok hozzájárulása itt nagyon elhanyagolható. A középső (10 és 40 R J között ) és a külső (továbbiakban 40 R J ) magnetoszférában a mágneses tér eltér a dipólus szerkezetétől, és a plazmaréteg hatása súlyosan megzavarja (lásd a Mágneses lemez részt alább ) [6 ] .
Bár általában véve a Jupiter magnetoszférája a Földéhez hasonlít, szerkezetük a bolygó közelében nagyon eltérő [13] . Az Io , a Jupiter vulkanikusan aktív műholdja, erőteljes plazmaforrás, és másodpercenként ~1000 kg új anyaggal tölti fel a Jupiter magnetoszféráját [7] . Az Io erős vulkánkitörései a kén-dioxidot a világűrbe emelik , amelynek nagy része atomokra disszociál , és a nap ultraibolya sugárzása ionizálja . Ennek eredményeként kén- és oxigénionok képződnek : S + , O + , S 2+ és O 2+ [18] . Ezek az ionok elhagyják a Hold légkörét, és létrehozzák az Io plazma tóruszát: egy hatalmas és viszonylag hideg plazmagyűrűt, amely körülveszi a Jupitert a Hold pályája mentén [7] . A plazma hőmérséklete a tóruszban eléri a 10-100 eV -ot ( 100 000-1 000 000 K ), ami jóval alacsonyabb, mint a sugárzási övekben lévő részecskék energiája - 10 keV (100 millió K). A tóruszban lévő plazmát a Jupiter mágneses tere "befagyva" hajtja forgásba, ugyanolyan időtartamú, mint maga a Jupiter [19] (az ilyen szinkron forgást korotációnak nevezik ). A Tor Io jelentős hatással van a Jupiter teljes magnetoszférájának dinamikájára [20] .
Számos folyamat eredményeként, amelyek között a diffúzió és a csereinstabilitás a főszerep , a plazma lassan elhagyja a bolygó környékét [19] . Ahogy a plazma távolodik a Jupitertől, a rajta átfolyó radiális áramok fokozatosan növelik sebességüket, fenntartva a korotációt [6] . Ezek a radiális áramok a mágneses tér azimutális komponensének forrásaként is szolgálnak, amely ennek következtében a forgásirányhoz képest hátrahajlik [21] [21] . A részecskék koncentrációja a plazmában az Io tóruszában lévő 2000 cm -3 -ról körülbelül 0,2 cm -3 -ra csökken 35 R J távolságra [22] . A középső magnetoszférában, a Jupitertől több mint 20 R J távolságra a korotáció fokozatosan leáll, és a plazma lassabban forog, mint a bolygó [6] . Végül 40 RJ - nél nagyobb távolságban ( a külső magnetoszférában) a plazma végül elhagyja a mágneses teret, és a magnetofarkon keresztül a bolygóközi térbe kerül [23] . Kifelé haladva a hideg és sűrű plazma helyet cserél a külső magnetoszférából kikerülő forró ritkított (20 keV (200 millió K) vagy magasabb hőmérsékletű) plazmával [22] . Ez a plazma a Jupiterhez közeledve és összehúzódva adiabatikusan felmelegszik [24] , és sugárzási öveket képez a belső magnetoszférában [7] .
A Föld mágneses mezőjétől eltérően , amelynek körülbelül cseppszerű alakja van, a Jupiter mezeje laposabb, inkább korongszerű, és periodikusan oszcillál a tengely körül [25] . Ennek a korong alakú konfigurációnak a fő oka a plazma és a mágneses tér korotációja által okozott centrifugális erő , valamint a forró plazma hőnyomása. Mindkét jelenség a mágneses erővonalak megnyúlásához vezet, és a bolygótól több mint 20 R J távolságra lapított, palacsintaszerű szerkezetet képez, amelyet "mágneses korongnak" neveznek [6] [26] . A középső síkban, körülbelül a mágneses egyenlítő közelében, ez a korong egy vékony áramlapot tartalmaz. [18] A mágneses erővonalak a Jupiter felől e réteg felett, az alatta pedig a Jupiter felé irányulnak [13] . Az Io-ból érkező plazma nagymértékben megnöveli a Jupiter magnetoszférájának méretét, mivel a mágneses korong további belső nyomást hoz létre, ami kiegyenlíti a napszél nyomását [14] . A bolygó és a „szoláris pont” magnetopauza közötti távolsága, amely átlagosan 75 R J , Io hiányában 43 R J - re csökkent volna [6] .
A Jupiter magnetoszféráját a bolygó forgása mozgatja. [27] Ebből a szempontból a Jupiter hasonlít egy unipoláris generátornak nevezett eszközhöz . Ahogy a Jupiter forog, ionoszférája elmozdul a bolygó dipólus mágneses mezejéhez képest. Mivel a dipólus mágneses momentuma a forgásirányba mutat, [11] az e mozgás hatására fellépő Lorentz-erő a negatív töltésű elektronokat a pólusok felé, a pozitív töltésű ionokat pedig az Egyenlítő felé mozgatja. [28] Ennek eredményeként a pólusok negatív töltésűek, az Egyenlítőhöz közeli területek pedig pozitív töltésűekké válnak. Mivel a Jupiter magnetoszférája tele van nagy vezetőképességű plazmával, az elektromos áramkör ezen keresztül teljesedik ki. [28] Egy állandónak nevezett áram [4. megjegyzés] folyik a mágneses erővonalak mentén az ionoszférából az egyenlítői plazmalapba. Az áram ezután sugárirányban terjed a bolygóról az egyenlítői plazmalapon belül, és végül visszatér a planetáris ionoszférába a magnetoszféra külső régióiból a pólusokhoz kapcsolódó erővonalak mentén. A mágneses erővonalak mentén mozgó áramokat általában Birkeland-áramoknak nevezik . [21] A radiális áramok kölcsönhatásba lépnek a bolygó mágneses mezőjével, és az így létrejövő Lorentz-erő felgyorsítja a magnetoszférikus plazmát a bolygó forgási irányába. Ez a fő mechanizmus, amely fenntartja a plazma forgását a jovi magnetoszférában. [28]
Az ionoszférából a plazmalemezbe áramló áram különösen erős, ha a plazmalap megfelelő része lassabban forog, mint a bolygó. [28] A rotáció romlik a 20 és 40 R J közötti tartományban a Jupitertől. Ez a régió a magnetodiszknek felel meg, ahol a mágneses mező erősen megfeszül. [29] A magnetodiszkben erős egyenáram keletkezik a Jupiter mágneses pólusaitól szigorúan meghatározott, körülbelül 16 ± 1 °-os szélességi tartományban. Ezek a keskeny régiók megfelelnek a Jupiter auróráinak fő oválisainak . (Lásd alább.) [30] A külső magnetoszférából 50 R J tartományban folyó fordított áram a pólusok közelében belép a Jovian ionoszférába, és lezárja az elektromos áramkört. A teljes radiális áramot 60 és 140 millió amper közé becsülik. [21] [28]
A plazma gyorsulása a forgás során a Jupiter forgási energiájának átviteléhez vezet a plazma kinetikus energiájába. [6] [20] Ebben az értelemben a Jupiter magnetoszféráját a bolygó forgása, míg a Földét főként a napszél támogatja. [húsz]
A Jovi-féle magnetoszféra dinamikájának megfejtésének fő problémája az, hogy miként megy végbe a nehéz hideg plazma átvitele az Io tóruszából 6 RJ távolságra az 50 RJ távolságra lévő külső magnetoszférába . [29] Az ilyen transzfer pontos mechanizmusa nem ismert bizonyosan, de feltételezhetően a plazmacsere instabilitása miatti plazmadiffúzió eredménye lehet. A folyamat a hidrodinamikában a Rayleigh-Taylor instabilitáshoz hasonlít . [19] A jovi magnetoszféra esetében a centrifugális erő játssza a gravitáció szerepét; a nehéz folyadék szerepét az Io-ból származó hideg és sűrű plazma, míg a könnyű folyadék szerepét a külső magnetoszférából származó forró és kevésbé sűrű plazma tölti be. [19] A plazma permutációs instabilitása a magnetoszféra belső és külső részei közötti cseréhez vezet plazmával töltött mezővonalcsövek által. Az üres csövek a bolygó felé haladnak, míg a plazmával töltöttek az Io-ból távolodnak a Jupitertől. [19] A térvonalak csöveinek ez a cseréje egyfajta magnetoszférikus turbulenciát okoz . [31]
A térvonalak csövek cseréjének ez a rendkívül hipotetikus elmélete részben megerősítést nyert a Galileo elrepülése során , amely csökkent plazmasűrűségű és megnövekedett térerősségű régiókat fedezett fel a belső magnetoszférában. [19] Ezek az üregek a külső magnetoszférából érkező, gyakorlatilag üres erővonalcsöveknek felelhetnek meg. A középső magnetoszférában a Galileo egy olyan jelenséget rögzített, amely akkor fordul elő, amikor a külső magnetoszférából származó forró plazma ütközik a magnetodisztikával, ami a nagy energiájú részecskék áramlásának növekedéséhez vezet, és erősíti a mágneses teret. [33] A hideg plazmát kifelé szállító mechanizmus azonban még nem ismert.
Amikor az Io hideg plazmájával töltött térvonalcsövek elérik a külső magnetoszférát, egy térvonal- újracsatlakozási folyamaton mennek keresztül, amely elválasztja a mágneses teret a plazmától. [29] Ezután a belső magnetoszférán keresztül tér vissza forró és kevésbé sűrű plazmával teli erővonalcsövekben, és úgy tűnik, hogy az utóbbi plazmoidok , nagy plazmacsomók formájában kilökődik a magnetofarokba. A térvonalak újrakapcsolódásának folyamata megfelelhet a Galileo űrszonda által megfigyelt globális "újrakonfigurálási" jelenségeknek, amelyek rendszeresen 2-3 naponta fordultak elő. [34] Az újrakonfigurálási jelenség magában foglalta a mágneses tér erősségének és irányának gyors és kaotikus változását, valamint a plazma mozgásának hirtelen megváltozását, amely megállt a forgásban és kiáramlott. A jelenséget elsősorban az éjszakai magnetoszféra hajnali szektorában figyelték meg. [34] A plazma nyílt erővonalban áramlik a mágnesfarok mentén, ezt nevezik "bolygószélnek". [18] [35]
A térvonal-visszakapcsolás jelensége analóg a földi mágneses szubviharokkal a magnetoszférában. [29] A különbség az, hogy: a szárazföldi szubviharok a napszélből felgyülemlett energiát a mágneses farokba továbbítják, és a mágnesfarokban lévő semleges áramok rétegében a visszakapcsolási jelenségen keresztül felszabadítják. Később egy plazmoid képződik, amely a farok mentén mozog. [36] A jovi magnetoszférában pedig a forgási energiát a magnetodiszkár tárolja, és plazmoidok formájában szabadul fel, amelyek elkülönülnek a korongtól. [34]
Míg a Jupiter magnetoszférájának dinamikája főként a belső energiaforrásoktól függ, a napszél másodlagos szerepet játszik [37] , többnyire nagy energiájú protonok forrásaként . [5. megjegyzés] [7] A külső magnetoszféra szerkezete a napszél által alkotott magnetoszférában rejlő néhány jelenséget mutat, beleértve a kifejezett reggeli-délutáni aszimmetriát. [21] Az esti szektor mágneses vonalai az ellenkező irányba hajlanak a reggeli szektorhoz képest. [21] Ezenkívül a reggeli magnetoszférában a mágneses farokhoz nyitott térerővonalak kapcsolódnak, míg az esti magnetoszférában a térvonalak zárva vannak. [16] Ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy a Földön Dangy-ciklusként ismert térvonal-visszakapcsolási folyamatot okozó napszél a Jupiter magnetoszférájában is végbemehet. [29] [37]
A napszél befolyásának mértéke a jovi magnetoszférára jelenleg nem ismert [38] ; azonban különösen erős lehet a fokozott naptevékenység időszakában [39] . A rádió [5] , az aurórák optikai és röntgensugárzása [40] , valamint a sugárzási övek szinkrotronsugárzása korrelál a napszél nyomásával; ami azt jelenti, hogy a napszél befolyásolhatja a plazma mozgását, sőt szabályozhatja a magnetoszférában zajló belső folyamatokat is [34] .
A Jupiteren mindkét pólus tartományában folyamatosan fényes aurorák fordulnak elő. Ellentétben a szárazföldi aurórákkal, amelyek átmenetiek és csak fokozott naptevékenység idején fordulnak elő, a Jupiter aurórái állandóak, bár intenzitásuk napról napra változik. Három fő alkotóelemből állnak: fő oválisok, világos, viszonylag keskeny (kevesebb mint 1000 km széles) kör alakú képződmények, amelyek a mágneses pólusoktól körülbelül 16°-ra nyúlnak el [41] ; a bolygó természetes műholdjairól származó sarki foltok, amelyek a Jupiteri ionoszférát a legnagyobb műholdakkal összekötő mágneses erővonalak nyomainak és a rövid távú poláris sugárzásnak a fő ovális tartományában [41] [42] . A Jupiter aurora sugárzását az elektromágneses spektrum minden részén észlelték - a rádiósugárzástól a röntgensugárzásig (3 keV-ig), de a legfényesebben a középső infravörös sugárzásban sugároznak (hullámhossz 3-4 mikron és 7-14 mikron) és a távoli ultraibolya spektrális régiókban (hullámhossz 80-180 nm) [9] .
A fő oválisok a Jupiter auróráinak domináns alkotóelemei. Stabil alakjuk és elhelyezkedésük van [42] , de intenzitásuk nagymértékben függ a napszél nyomásától: minél erősebb a napszél, annál gyengébbek az aurórák [43] . A fő oválisokat a magnetodiszkból és a Jupiteri ionoszférából származó plazma elektromos potenciálja által felgyorsított erős elektronbeáramlás támogatja [44] . Ezek az elektronok magukkal hordozzák a Birkeland-áramokat, amelyek fenntartják a plazma forgását a magnetodiszkban [29] . Az elektromos potenciál növekedése leáll, mert az egyenlítői rétegen kívüli ritkított plazma ezen áramok nélkül csak korlátozott erősségű áramot képes továbbítani [30] . A "kicsapó" elektronok energiája 10-100 keV tartományba esik, és mélyen behatolnak a Jupiter légkörébe, ahol ionizálják és gerjesztik a molekuláris hidrogént, ultraibolya sugárzást okozva [45] . Az ionoszférába belépő teljes energia 10-100 TW [46] . Az ionoszférán átfolyó áramok felmelegítik a „ Joule-fűtés ” nevű folyamat során. Ez a folyamat, amely akár 300 TW energiát is termel, felelős a Jovian auroras erős infravörös sugárzásáért és részben a Jovian termoszféra felmelegedéséért [47] .
| Sugárzás | Jupiter | Spot Io |
|---|---|---|
| Rádió (<0,3 MHz) | ~1 GW | ? |
| Rádió (0,3-3 MHz) | ~10 GW | ? |
| Rádió (3-40 MHz) | ~100 GW | 0,1-1 GW |
| Infravörös (szénhidrogének, 7-14 mikron) | ~40 TW | 30-100 GW |
| Infravörös (H 3 + , 3-4 µm) | 4-8 TW | |
| Látható (0,385-1 µm) | 10-100 GW | 0,3 GW |
| Ultraibolya (80-180 nm) | 2-10 TW | ~50 GW |
| Röntgen (0,1-3 keV) | 1-4 GW | ? |
Úgynevezett "foltokat" találtak, amelyek összhangban vannak három galileai holddal: Io, Europa és Ganymedes . [6. megjegyzés] [49] Észrevehetőek, mert a plazma forgása lelassul a műholdak közvetlen közelében. A legfényesebb folt az Io-hoz tartozik, amely a magnetoszféra fő plazmaforrása (lásd fent). Úgy gondolják, hogy az Io napfoltja a Jupiter ionoszférájából az Io ionoszférájába terjedő Alfvén-hullámokhoz kapcsolódik. Az Európa és a Ganümédész foltjai sokkal halványabbak, mert ezek a műholdak gyenge plazmaforrások a felszínükről a vízjég elpárolgása miatt. [ötven]
A fő oválisok belsejében időről időre világos ívek és foltok jelennek meg. Ezek a rövid távú jelenségek a napszéllel való kölcsönhatáshoz kapcsolódnak. [42] A mágneses erővonalak ebben a tartományban vagy nyitottak, vagy a mágnesfarkon jelennek meg. [42] Az elsődleges oválisokon belül megfigyelt másodlagos oválisok a nyitott és zárt mágneses erővonalak határvonalára vagy poláris „ csúcsokra ” utalhatnak. [51] A Jupiter aurórájának emissziója hasonlít a Föld pólusai körüli emisszióhoz: mindkettő akkor jelenik meg, amikor a bolygó felé felgyorsult elektronok a Nap mágneses erővonalai és a bolygók mágneses erővonalai újracsatlakozási folyamatán mennek keresztül. [29] A fő oválisokon belüli régiók sok röntgensugárzást bocsátanak ki. A poláris röntgenspektrum erősen ionizált oxigénből és kénből álló spektrumvonalakat tartalmaz , amelyek valószínűleg akkor jelennek meg, amikor nagy energiájú (több száz kiloelektronvoltos) S- és O-ion megtelepszik a Jupiter poláris atmoszférájában. Ennek a süllyedésnek az oka továbbra is ismeretlen. [40]
A Jupiter a néhány kilohertztől a több tíz megahertzig terjedő rádióhullámok erőteljes forrása . A körülbelül 0,3 MHz-nél kisebb frekvenciájú (és ezért 1 km-nél nagyobb hullámhosszúságú) rádióhullámokat Jupiter- kilométer sugárzásnak (angolul KOM rövidítve ) nevezik . A 0,3 és 3 MHz közötti tartományba eső rádióhullámokat (100 és 1000 m közötti hullámhosszúsággal) hektometrikus sugárzásnak (rövidítve HOM), a 3 és 40 MHz közötti sugárzást (10 és 100 m közötti hullámhosszúság) decimetriás sugárzásnak nevezzük. (vagy röviden DAM). A rádiósugárzás, amelyet először az űrből figyeltek meg a Földön, körülbelül 10 órás gyakorisággal, mint kiderült, a Jupiterhez tartozott. A decimetrikus sugárzás legerősebb szakasza, amely az Io-hoz és az áramok rendszeréhez kapcsolódik: Io-Jupiter, rövidítése Io-DAM. [52] [7. megjegyzés]
Feltételezések szerint ennek a sugárzásnak a nagy részét a "Cyclotron Maser Instabilitás" nevű mechanizmus állítja elő, amely az aurora régiók közelében figyelhető meg, amikor az elektronok mozognak a pólusok között. A rádióhullámok generálásában részt vevő elektronok valószínűleg ugyanazok, amelyek az áramokat a bolygó pólusairól a magnetodiszkra szállítják. [53] A Jupiter rádiósugárzásának intenzitása az idő múlásával zökkenőmentesen változik; a Jupiter azonban időszakonként rövid és erőteljes sugárzáskitöréseket bocsát ki (S kitörések), amelyek száma meghaladja a többi összetevőt. A "DAM" komponens teljes emissziós tényezője körülbelül 100 GW, a HOM/KOM komponensek együttes emissziós tényezője körülbelül 10 GW. Összehasonlításképpen, a Föld rádiósugárzásának összteljesítménye mindössze 0,1 GW. [52]
A Jupiter rádió- és részecskesugárzása szigorúan a bolygó forgásához kötődik, így a bolygó valamelyest hasonlít egy pulzárhoz . [54] A modulációk periodicitása valószínűleg összefügg a Jupiter magnetoszférájának aszimmetriájával, ami viszont a mágneses momentumnak a bolygó forgástengelyéhez viszonyított dőlésével és a nagy szélességi körök mágneses anomáliáival függ össze . A Jupiter rádiósugárzásának kitöréseit szabályozó fizika hasonló a pulzárokéhoz. Csak a mérlegek különböznek egymástól, ezért a Jupitert gyakran nagyon kicsi pulzárnak tekintik. [54] Megfigyelték, hogy a Jupiter rádiósugárzásának kitörései a naptevékenység növekedésével is összefüggenek . [52]
A viszonylag hosszú hullámhosszú rádiósugárzás mellett a Jupiter szinkrotron sugárzást (más néven Jupiter deciméter sugárzást vagy "DIM"-et) is bocsát ki 0,1-15 GHz-es frekvencián (3 m-től 2 cm-ig terjedő hullámhossz), [55] ami a a bolygó belső sugárzási öveiben csapdába esett relativisztikus elektronok bremsstrahlung . A "DIM" sugárzást kísérő elektronok energiája 0,1-100 meV, [56] és ehhez a fő hozzájárulást az 1-20 meV energiájú elektronok adják. [8] Ez a sugárzás jól ismert és tanulmányozott, és az 1960-as évek eleje óta használják a bolygómágneses tér és a sugárzási övek szerkezetének tanulmányozására. [57] A sugárzónákban lévő részecskék a külső magnetoszférából származnak, és adiabatikusan felgyorsulnak, amikor belépnek a belsőbe. [24]
A Jupiter magnetoszférája nagy energiájú elektronok és ionok (akár több tíz meV energiájú) áramlását löki ki, amelyek elérik a Föld pályáját. [58] Ezek a részecskeáramok erősen kollimáltak , és a bolygó forgási periódusától függően változnak, akárcsak a rádiósugárzás. Ebből a szempontból a Jupiter is egy pulzárhoz hasonlít. [54]
A Jupiter hatalmas magnetoszférája magába foglalja a pályákat, négy Galilei műholdat és a gyűrűrendszert. [59] A mágneses egyenlítő közelében keringve ezek a testek a magnetoszférikus plazma forrásaiként és elnyelőiként is szolgálnak, és a magnetoszférából származó energetikai részecskék megváltoztatják felületüket. A részecskék elporítják a felületről az anyagot, és radiolízissel kémiai reakciókat váltanak ki . [60] A plazma bolygóról való forgása azt jelenti, hogy a plazma főként a műholdak vezető féltekéivel lép kölcsönhatásba, ami féltekei aszimmetriát okoz. [61] Másrészt a nagy műholdak mágneses mezői hozzájárulnak a Jupiter magnetoszférájához. [59]
A Jupiterhez közeli bolygógyűrűk és a kis műholdak nagy energiájú (10 keV-nál nagyobb energiájú) részecskéket nyelnek el a sugárzási övekről. [62] Ez észrevehető változásokat okoz a szalagok térbeli eloszlásában, és befolyásolja a deciméter szinkrotronsugárzást. Érdekes módon a Jupiter gyűrűinek létezését a Pioneer 11 űrszonda adatai alapján feltételezték, amelyek a nagy energiájú ionok számának meredek csökkenését észlelték a bolygó közelében. [62] A bolygómágneses mező erősen befolyásolja a mikrométer alatti részecskék mozgását a gyűrűkben, amelyek a nap ultraibolya sugárzása által elektromosan feltöltődnek . Viselkedésük hasonló a forgó ionokéhoz . [63] A forgó és az orbitális mozgás közötti rezonáns kölcsönhatás felelős az úgynevezett "halo gyűrű" megjelenéséért (a bolygótól 1,4 és 1,71 R J között helyezkedik el ), amely szubmikrométeres részecskékből áll, erősen ferde és excentrikusan . pályák. [64] A részecskék a főgyűrűből származnak; amint a Jupiter felé sodródnak, pályájuk megváltozik az 1,71 R J távolságban elhelyezkedő erős 3:2 "Lorentz-rezonancia" hatására , ami növeli a dőlésszögüket és az excentricitásukat. [8. megjegyzés] Egy másik 2:1-es Lorentz-rezonancia 1,4 Rj távolságban határozza meg a Halo gyűrű belső határát. [65]
Valamennyi galilei műhold vékony atmoszférájú, 0,01 és 1 nanobar közötti felületi nyomással , de jelentős ionoszférákkal rendelkeznek, amelyek elektronsűrűsége 1000 és 10 000 cm- 3 között van . [59] A forgó hideg magnetoszférikus plazmát részben eltérítik az ionoszféráik által keltett áramok miatt, és "Alfvén szárnyaknak" nevezett struktúrákat hoznak létre. [66] A nagy műholdak kölcsönhatása forgó áramlásokkal hasonlít a napszél kölcsönhatására mágneses tér nélküli bolygókkal - mint például a Vénusz , a forgási sebesség általában szubszonikus (a sebesség 74 és 328 m/s között változik), ami megakadályozza íjsokk kialakulása . [67] A forgó plazma nyomása eltávolítja a gázokat a műholdak atmoszférájából (különösen az Io-n), és sok atomjuk ionizált és részt vesz a forgásban. Ez a folyamat a műholdak pályájának közelében gáz- és plazma torikat hoz létre, amelyek közül az Io tórusza a legszembetűnőbb. [59] Valójában a Galilei műholdak (főleg az Io) szolgálnak a plazma fő forrásaiként a Jupiter belső és középső magnetoszférájában. Eközben az energiarészecskék nagyrészt függetlenek az Alfvén szárnyaitól, és szabadon hozzáférhetnek a műholdak felszínéhez (Ganymedes kivételével). [68]
A jeges Galilei-holdak, az Európa , a Ganümédész és a Kalliszto , mind induktív mágneses momentumot hoznak létre, válaszul a Jupiter mágneses terének változásaira. Ezek a különböző mágneses momentumok dipólus mágneses mezőket hoznak létre maguk körül, amelyek kompenzálják a környezeti változásokat. [59] Úgy gondolják, hogy az indukció a felszínhez közeli sós vízrétegekben fordul elő, amelyről úgy gondolják, hogy a Jupiter minden nagy jeges holdján jelen van. Lehetett élet ezekben a földalatti óceánokban, és létezésük bizonyítéka Galilei egyik legfontosabb felfedezése volt . [69]
A Jupiter magnetoszférájának és a megfelelő mágneses nyomatékkal rendelkező Ganümédesznek a kölcsönhatása eltér a mágneses mezőt nem tartalmazó műholdakkal való kölcsönhatástól. [69] A Ganymedes belső mágneses tere egyfajta üreget hoz létre a Jupiter magnetoszférájában, amelynek átmérője körülbelül két Ganümédeszé, egyfajta mini-magnetoszférát a Jupiter belsejében. A Ganymedes mágneses tere arra kényszeríti a forgó plazmát, hogy az oldala körül áramoljon. Arra is szolgál, hogy megvédje a műhold egyenlítői régióit, ahol a mágneses erővonalak zárva vannak, az energiarészecskéktől. Ezek azonban szabadon ütik a műhold felszínét a pólusok tartományában, ahol a mágneses erővonalak még nyitottak. [70] Sok energetikai részecske rekedt Ganümédész egyenlítői régiójában, így miniatűr sugárzási övek jönnek létre. [71] A Hold vékony légkörébe belépő nagyenergiájú elektronok felelősek a Ganümédeszen megfigyelhető aurórákért. [70]
A töltött részecskék jelentős hatással vannak a Galilei-műholdak felületi jellemzőire. Az Ióból származó plazma sok kén- és nátriumiont visz el a műholdról, [72] ahol főként Európa és Ganymedes hátsó féltekén telepednek meg. [73] A Callisto-n azonban ismeretlen okokból a vezető félteke tartományában felhalmozódik a kén. [74] Valószínűleg a plazma is felelős a galilei holdak hátsó félgömbjének elsötétüléséért (ismét, Callisto kivételével). [61] A nagy energiájú elektronok és ionok egyetlen sugárban bombázzák a műholdak felszíni jegét, és a víz és más kémiai vegyületek radiolízisét okozzák . A nagy energiájú részecskék a vizet oxigénné és hidrogénné bontják , fenntartva a jeges műholdak vékony oxigén légkörét (mivel a hidrogén gyorsabban távozik). A Galilei holdak felszíne által radiolízissel előállított vegyületek közé tartozik az ózon és a hidrogén-peroxid is . [75] Ha vannak szerves anyagok vagy karbonátok , akkor szén-dioxidnak , metanolnak és szénsavnak kell lennie . Ha kén van jelen, akkor kén-dioxid, hidrogén-perszulfid és kénsav is jelen lesz . [75] A radiolízissel előállított oxidálószerek , mint például az oxigén és az ózon, jégbe fagyhatnak, és a jég alatti óceánok fenekére eshetnek, és lehetséges életforrásként szolgálhatnak. [72]
A Jupiter közelében lévő mágneses tér létezésének első bizonyítéka 1955-ben jelent meg, amikor felfedezték a dekaméteres rádiósugárzást. [76] Mivel a dekaméteres rádiósugárzás spektruma továbbra is 40 MHz -ig terjedt, a csillagászok azt javasolták, hogy a Jupiternek körülbelül 1 millitesla (10 gauss ) erősségű mágneses mezővel kell rendelkeznie . [55]
1959-ben az elektromágneses spektrum mikrohullámú részében (0,1-10 GHz ) végzett megfigyelések a Jupiter deciméteres rádióemissziójának (DIM) felfedezéséhez vezettek, és annak felismeréséhez, hogy ez a bolygó sugárzónáiban csapdába esett relativisztikus elektronok által kibocsátott szinkrotronsugárzás . [77] A szinkrotronsugárzásra vonatkozó adatokat a Jupiter körüli elektronok számának és energiájának becslésére használták fel, és a mágneses momentum és annak meredeksége jobb becsléséhez is vezettek. [7]
1973-ra a mágneses momentum szinte pontosan ismert volt, és a meredekségét 10°-ra állították. [12] 1964-ben fedezték fel az Io által okozott dekaméter modulációkat (az úgynevezett Io-DAM sugárzást), amelyek lehetővé tették a bolygó forgási periódusának finomítását. [5] A Jupiter mágneses tere létezésének végső megerősítése 1973-ban történt, amikor a Pioneer 10 a bolygó közelében repült . [1] [9. megjegyzés]
2015-ig összesen 8 űreszköz repült a Jupiter közvetlen közelében, és mindegyik hozzájárult ennek az óriásbolygó magnetoszférájának megértéséhez. Az első űrszonda, amely elérte a Jupitert, a Pioneer 10 volt 1973 decemberében, amely 2,9 RJ [ 12] távolságra haladt el a bolygó középpontjától. [1] Ikertestvére, a Pioneer 11 egy évvel később meglátogatta a Jupitert, erősen ferde pályát követve, és közelebb haladt el, 1,6 RJ távolságra a bolygótól. [12]
A Pioneer program segített jobban megérteni a Jupiter belső mágneses terét. [6] A sugárzás szintje a Jupiter környékén tízszer erősebb volt, mint amire a Pioneer tervezői számítottak, és ez kétségeket ébreszt afelől, hogy a jármű túléli-e az elrepülést; azonban némi akadozás ellenére a Pioneersnek sikerült átjutnia a sugárzási sávokon, amit az a tény is megőrzött, hogy a Jupiter magnetoszférája kissé felfelé "lógott" a repülési útvonalon, távol a vízi járműtől. A Pioneer 11 azonban elvesztette az Io fényképeinek nagy részét, ami miatt a fedélzeti polariméter meghibásodott , és szórványos parancsokat kapott. A Pioneereket követő Voyagereket úgy alakították át, hogy agresszív sugárzási környezetben is működőképesek maradjanak. [25]
Az 1. és 2. Voyagers 1979-1980-ban érkezett meg a Jupiterhez, és szinte az egyenlítői síkban haladt. A Voyager 1 5 RJ -n belül haladt el a bolygó középpontjától, [12] és elsőként ütközött az Io plazma tóruszával. [6] A Voyager 2 10 RJ -n belül haladt [ 12] , és az egyenlítői síkban áramokat észlelt. A Jupiter közelében elhaladó következő szonda az Ulysses volt 1992-ben, aki a sarki magnetoszférát tanulmányozta. [6]
Galileo 1995 és 2003 között keringett a Jupiter körül, és mindenre kiterjedő lefedettséget biztosított a Jupiter magnetoszférájáról az egyenlítői síkban 100 R J távolságig . Vizsgálták a magnetoszféra mágneses farkát, valamint a hajnali és napnyugta részeit is. [6] Annak ellenére, hogy a Galileo sikeresen ellenállt a Jupiter melletti súlyos sugárzási környezetnek, technikai problémák még mindig felmerültek. Különösen a giroszkópok működtek hibákkal. Többször előfordult , hogy a szonda forgó és álló részei között áthaladó elektromos ívek csökkentett módba kapcsoltak , ami 16, 18 és 33 menetnél teljes adatvesztéshez vezetett. A sugárzás fáziseltolódásokat is okozott egy ultrastabil kristályoszcillátorban . [78]
Amikor Cassini 2000-ben elrepült a Jupiter mellett, a méréseket Galileóval koordinálta. [6] Az utolsó szonda, amely elrepült a Jupiter mellett, a New Horizons volt 2007-ben, amely egyedülálló vizsgálatot végzett a mágneses farokkal, és 2500 R J sebességgel repült végig . [32] A jovi magnetoszféra lefedettsége és lefedettsége azonban továbbra is gyenge. A jövőbeli tanulmányok ( például a Juno ) fontosak lesznek a bolygó magnetoszférájának dinamikájának megértésében. [6]
2003-ban a NASA elkészítette és közzétette a Külső Bolygók Human Exploration of the Outer Planets (HOPE) című koncepciós tanulmányát a külső Naprendszer emberi kutatásának jövőjéről. Szóba került egy felszíni bázis építésének lehetősége a Callisto-n, a Jupitertől való távolság miatti alacsony sugárzási szint és a műhold geológiai stabilitása miatt. A Callisto jelenleg a Jupiter egyetlen galileai műholdja, amelynek felderítése ember által lehetséges. Az Io, Europa és Ganymedes ionizáló sugárzás szintje elviselhetetlen az emberi szervezet számára, és az ellene fellépő megfelelő intézkedéseket még ki kell dolgozni. [79]
| Jupiter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jellemzők | |||||||
| műholdak |
| ||||||
| Kutatás | |||||||
| Egyéb | |||||||
| Lásd még Kategória: Jupiter Naprendszer | |||||||