| Öppning | |
|---|---|
| Upptäckare | Pioneer-10 |
| öppningsdatum | december 1973 [1] |
| Inre fält | |
| Jupiter radie | 71 492 km |
| Magnetiskt ögonblick | 1,56⋅10 20 T m³ _ |
| Ekvatorial fältstyrka | 428 μT (4,28 gauss ) |
| dipollutning _ | ~10° |
| Dipolaxelns longitud | ~159° |
| Rotationsperiod | 9 h 55 m 29,7 ± 0,1 s |
| Egenskaper för solvinden | |
| Fart | 400 km/s [2] |
| IMF- spänningen | 1 nT |
| Densitet | 0,4 cm -3 |
| Egenskaper hos magnetosfären | |
| Bågsprängningsavstånd _ | ~82 R J [3] [4] [5] |
| Magnetopausavstånd _ | 50-100 R J |
| Magnetsvansens längd | mer än 7000 RJ |
| Grundläggande joner | O + , S + och H + |
| Plasmakällor | Io , solvind , jonosfär |
| Massinflöde | ~1000 kg/s |
| Maximal plasmadensitet | 2000 cm −3 [6] [7] [8] |
| Maximal partikelenergi | Över 100 MeV |
| Polarljus | |
| Spektrum | radioemission, nära-IR , UV och röntgen |
| Total kraft | 100 TW [9] |
| Radiofrekvenser | 0,01-40MHz _ |
Jupiters magnetosfär är en hålighet som skapas i solvinden av Jupiters planetariska magnetfält , där olika processer av interaktion mellan solvinden, det interplanetära magnetfältet, Jupiters eget magnetfält och dess omgivande plasma äger rum. Jupiters magnetosfär , som sträcker sig mer än 7 miljoner kilometer mot solen och nästan till Saturnus bana i motsatt riktning, är den största och mest kraftfulla av alla planetariska magnetosfärer i solsystemet , och volymmässigt är den den största kontinuerliga strukturen i solsystemet efter heliosfären . Bredare och plattare än jordens magnetosfär , Jupiters är flera storleksordningar kraftigare, och dess magnetiska moment är cirka 18 000 gånger större. Existensen av Jupiters magnetosfär avslöjades under radioobservationer i slutet av 1950-talet, först direkt observerade av Pioneer 10 -apparaten 1973.
Jupiters inre magnetfält genereras av en elektrisk ström som flyter i planetens yttre kärna, som består av metalliskt väte . Vulkanutbrott på Jupiters måne Io skjuter ut stora volymer svaveloxid i rymden och bildar en stor gastorus runt planeten. Krafterna i Jupiters magnetfält får torusen att rotera med samma vinkelhastighet och i samma riktning som planeten. Thor fyller på planetens magnetfält med plasma , som, när den roterar, sträcks ut till en pannkaksliknande struktur som kallas en magnetisk skiva . I huvudsak formas Jupiters magnetosfär av Ios plasma och dess egen rotation i mycket större utsträckning än av solvinden , till skillnad från jordens. De kraftiga strömmarna som flyter i magnetosfären orsakar ihållande norrsken runt planetpolerna och märkbara fluktuationer i radioemission, vilket gör att Jupiter i vissa avseenden kan betraktas som en mycket svag radiopulsar . Jupiters norrsken har observerats i nästan varje del av det elektromagnetiska spektrumet , inklusive infraröda , synliga , ultravioletta och mjuka röntgenstrålar .
Effekten av magnetosfären fångar och accelererar partiklar, vilket skapar intensiva strålningsbälten som liknar jordens Van Allen-bälten, men tusentals gånger mer kraftfulla. Interaktionen av energiska partiklar med ytan på Jupiters största satelliter påverkar märkbart deras kemiska sammansättning och fysiska egenskaper. Effekten av dessa partiklar påverkar också rörelsen av damm och stenfragment inuti Jupiters obetydliga ringsystem . Strålningsbälten utgör en allvarlig fara för rymdfarkoster och potentiella bemannade expeditioner.
Jupiters magnetosfär är en komplex struktur som inkluderar bågchock , magnetoshed , magnetopaus , magnetotail , magnetodisk och andra komponenter. Magnetfältet runt Jupiter skapas på grund av ett antal fenomen, till exempel på grund av vätskecirkulation i planetens kärna (inre fält), elektrisk ström i plasman som omger Jupiter och strömmar som flyter vid gränsen till planetmagnetosfären. Magnetosfären är nedsänkt i solvindsplasma , som bär med sig det interplanetära magnetfältet . [tio]
Mycket av Jupiters magnetfält, som jordens , genereras av en inre dynamo , upprätthållen av cirkulationen av en elektriskt ledande vätska i den yttre kärnan. Men medan jordens kärna är gjord av smält järn och nickel , är Jupiters kärna gjord av metalliskt väte [4] . Liksom jordens, är Jupiters magnetiska fält i första hand en dipol , med nord- och sydmagnetiska poler vid motsatta ändar av den magnetiska axeln [3] . Men på Jupiter ligger dipolens nord- och sydmagnetiska poler på samma halvklot av planeten, medan i fallet med jorden tvärtom är dipolens nordmagnetiska pol på det södra halvklotet, och den södra - i den norra [11] [not 1] . Jupiters magnetfält innehåller också högre multipolkomponenter - quadrupole , octupol , etc., men de är åtminstone en storleksordning svagare än dipolkomponenten [3] .
Dipolen lutar cirka 10° i förhållande till Jupiters rotationsaxel; denna lutning är nära jorden (11,3°) [1] [3] . Ekvatorialinduktionen av magnetfältet är cirka 428 μT (4,28 G , cirka 10 gånger jordens), vilket motsvarar ett dipolmagnetiskt moment på cirka 1,53⋅10 20 T m³ ( 18 000 gånger jordens) [4] [not 2] . Jupiters magnetfält roterar med samma vinkelhastighet som området under atmosfären, med en period på 9 h 55 m. Inga märkbara förändringar i styrka eller struktur har observerats sedan de första Pioneer 10 -mätningarna i mitten av 1970-talet [not 3 ] .
Jupiters inre magnetfält skapar ett hinder i vägen för solvinden , en ström av joniserade partiklar som strömmar från den övre solatmosfären , förhindrar jonflöden från att nå Jupiters atmosfär , avleder dem bort från planeten och skapar ett slags hålrum i solen. vind som kallas magnetosfären, som består av plasma som skiljer sig från solvindens plasma [6] . Jupiters magnetosfär är så stor att om du placerar solen även med dess synliga korona i sig, så kommer det fortfarande att finnas tillräckligt med utrymme [12] . Om den kunde observeras från jorden skulle den uppta mer än fem gånger utrymmet för fullmånen på himlen , trots att Jupiter är mer än 1700 gånger längre bort än månen [12] .
Liksom i fallet med jordens magnetosfär kallas gränsen som skiljer solvindens tätare och kallare plasma från den varmare och mindre täta i Jupiters magnetosfär magnetopausen [6] . Avståndet mellan magnetopausen och planetens centrum är från 45 till 100 RJ (där RJ = 71 492 km är Jupiters radie) vid subsolar punkten , en icke-fixerad punkt på planetens yta där solen kommer att vara direkt ovanför observatören [6] . Magnetopausens läge beror på det tryck som utövas av solvinden, vilket i sin tur beror på nivån på solaktiviteten [13] . Framför magnetopausen (på ett avstånd av 80 till 130 R J från mitten av planeten) finns en bågchock , en vågliknande störning i solvinden som orsakas av dess kollision med magnetosfären [14] [15] . Området mellan magnetopausen och bågchocken kallas det magnetiska övergångslagret , eller magnetosheath [6] .
Bortom nattsidan av planeten drar solvinden Jupiters magnetfältslinjer till en lång, långsträckt magnetsvans som ibland till och med sträcker sig bortom Saturnus bana . [16] I sin struktur liknar svansen på den jovianska magnetosfären jordens. Den består av två "kronblad" (områden markerade med blått i diagrammet). Magnetfältet i sydloben är riktat mot Jupiter, och i norr - bort från den. Kronbladen separeras av ett tunt lager av plasma som kallas svansströmskiktet ( avlånga orange zon i diagrammet) [16] . Liksom jorden är Jupiters magnetosfäriska svans en kanal genom vilken solplasma kommer in i magnetosfärens inre regioner, där den värms upp och bildar strålningsbälten på ett avstånd av mindre än 10 RJ från Jupiter [ 17] .
Formen på Jupiters magnetosfär som beskrivs ovan stöds av:
Traditionellt är Jupiters magnetosfär uppdelad i tre delar: den inre, mellersta och yttre magnetosfären. Den inre ligger på ett avstånd av upp till 10 R J från planetens centrum. Magnetfältet inuti den är till övervägande del en dipol, eftersom bidraget från strömmarna som passerar genom ekvatorplasmaskivan är mycket obetydligt här. I mitten (mellan 10 och 40 R J ) och yttre (hädanefter 40 R J ) magnetosfärer avviker magnetfältet från dipolstrukturen och störs allvarligt av plasmaskiktets verkan (se avsnittet Magnetskiva nedan ) [6 ] .
Även om Jupiters magnetosfär i allmänhet liknar jordens form, är deras strukturer väldigt olika nära planeten [13] . Io , en vulkaniskt aktiv satellit från Jupiter, är en kraftfull plasmakälla och fyller på Jupiters magnetosfär med ~1000 kg ny materia varje sekund [7] . Starka vulkanutbrott på Io lyfter svaveldioxid ut i rymden , varav de flesta dissocierar till atomer och joniseras av solens ultravioletta strålning . Som ett resultat bildas svavel- och syrejoner : S + , O + , S 2+ och O 2+ [18] . Dessa joner lämnar månens atmosfär och bildar Ios plasmatorus: en massiv och relativt kall ring av plasma som omger Jupiter längs månens bana [7] . Temperaturen på plasman inuti torus når 10-100 eV ( 100 000-1 000 000 K ), vilket är mycket lägre än energin hos partiklar i strålningsbälten - 10 keV (100 miljoner K). Plasman inuti torus drivs av Jupiters magnetfält "frusna" in i den till rotation med samma period som Jupiter själv [19] (sådan synkron rotation kallas corotation ). Tor Io har en betydande inverkan på dynamiken i hela Jupiters magnetosfär [20] .
Som ett resultat av flera processer, bland vilka huvudrollen spelas av diffusion och utbytesinstabilitet , lämnar plasman långsamt planetens närhet [19] . När plasman rör sig bort från Jupiter ökar de radiella strömmarna som flyter genom den gradvis sin hastighet, vilket bibehåller samrotation [6] . Dessa radiella strömmar tjänar också som en källa för magnetfältets azimutkomponent, som som ett resultat böjer sig bakåt i förhållande till rotationsriktningen [21] [21] . Koncentrationen av partiklar i plasman minskar från 2000 cm −3 i torus av Io till cirka 0,2 cm −3 på ett avstånd av 35 R J [22] . I den mellersta magnetosfären, på ett avstånd av mer än 20 R J från Jupiter, upphör samrotationen gradvis, och plasman roterar långsammare än planeten [6] . I slutändan, på ett avstånd av mer än 40 RJ ( i den yttre magnetosfären), lämnar plasman slutligen magnetfältet och går in i det interplanetära rummet genom magnetsvansen [23] . När den rör sig utåt byter den kalla och täta plasman plats med varm förtärnad plasma (med en temperatur på 20 keV (200 miljoner K) eller högre) som rör sig från den yttre magnetosfären [22] . Denna plasma, som närmar sig Jupiter och drar ihop sig, värms upp adiabatiskt [24] och bildar strålningsbälten i den inre magnetosfären [7] .
Till skillnad från jordens magnetfält , som har en ungefärligen droppliknande form, är Jupiters fält mer tillplattat, mer som en skiva och pendlar periodvis runt axeln [25] . Huvudskälet till denna skivformade konfiguration är centrifugalkraften som orsakas av samrotationen av plasman och magnetfältet, såväl som det termiska trycket hos den heta plasman. Båda fenomenen leder till sträckning av magnetfältslinjerna, vilket på ett avstånd av mer än 20 R J från planeten bildar en tillplattad, pannkaksliknande struktur, känd som "magnetskivan" [6] [26] . I mittplanet, ungefär nära den magnetiska ekvatorn, innehåller denna skiva ett tunt strömskikt. [18] De magnetiska fältlinjerna är riktade från Jupiter ovanför detta lager och mot Jupiter under det [13] . Plasman som kommer från Io ökar kraftigt storleken på Jupiters magnetosfär, eftersom magnetskivan skapar ytterligare internt tryck, vilket balanserar trycket från solvinden [14] . Avståndet från planeten till magnetopausen vid "subsolar punkten", lika med 75 R J i genomsnitt , skulle ha minskat till 43 R J i frånvaro av Io [6] .
Jupiters magnetosfär drivs av planetens rotation. [27] I detta avseende liknar Jupiter en enhet som kallas en unipolär generator . När Jupiter roterar, rör sig dess jonosfär i förhållande till planetens dipolmagnetiska fält. Eftersom dipolens magnetiska moment pekar i rotationsriktningen [11] flyttar Lorentzkraften som uppstår som ett resultat av denna rörelse negativt laddade elektroner mot polerna, och positivt laddade joner rör sig mot ekvatorn. [28] Som ett resultat blir polerna negativt laddade och områden nära ekvatorn blir positivt laddade. Eftersom Jupiters magnetosfär är fylld med högledande plasma, fullbordas den elektriska kretsen genom den. [28] En ström som kallas konstant [not 4] flyter längs magnetfältslinjer från jonosfären in i det ekvatoriska plasmaskiktet. Strömmen fortplantar sig sedan radiellt från planeten inuti det ekvatoriala plasmaskiktet och återvänder så småningom till planetjonosfären från magnetosfärens yttre regioner längs fältlinjer som är anslutna till polerna. Strömmar som rör sig längs magnetfältslinjer kallas vanligtvis för Birkelandsströmmar . [21] Radiella strömmar interagerar med planetens magnetfält, och den resulterande Lorentz-kraften accelererar den magnetosfäriska plasman i planetens rotationsriktning. Detta är huvudmekanismen som upprätthåller plasmarotation i den jovianska magnetosfären. [28]
Strömmen som flyter från jonosfären in i plasmaskivan är särskilt stark när motsvarande del av plasmaarket roterar långsammare än planeten. [28] Rotationen förvärras i området mellan 20 och 40 R J från Jupiter. Detta område motsvarar magnetodisken, där magnetfältet är starkt utsträckt. [29] En stark likström i magnetoskivan genereras i ett strikt definierat latitudområde på cirka 16 ± 1 ° från Jupiters magnetiska poler. Dessa smala områden motsvarar de huvudsakliga ovalarna av Jupiters norrsken . (Se nedan.) [30] Den omvända strömmen som flyter från den yttre magnetosfären i området 50 R J går in i den jovianska jonosfären nära polerna och stänger den elektriska kretsen. Den totala radiella strömmen uppskattas till mellan 60 och 140 miljoner ampere. [21] [28]
Plasmaacceleration under rotationsförloppet leder till överföring av Jupiters rotationsenergi till plasmans kinetiska energi. [6] [20] I denna mening stöds Jupiters magnetosfär av planetens rotation, medan jordens huvudsakligen stöds av solvinden. [tjugo]
Det största problemet med att dechiffrera dynamiken i den jovianska magnetosfären är hur överföringen av tung kall plasma från torus av Io på ett avstånd av 6 RJ till den yttre magnetosfären på ett avstånd av 50 RJ sker . [29] Den exakta mekanismen för en sådan överföring är inte känd med säkerhet, men hypotetiskt kan den vara resultatet av plasmadiffusion som ett resultat av plasmautbytesinstabilitet. Processen liknar Rayleigh-Taylors instabilitet inom hydrodynamik . [19] I fallet med den jovianska magnetosfären spelar centrifugalkraften rollen som gravitation; rollen som den tunga vätskan spelas av den kalla och täta plasman från Io, medan rollen som den lätta vätskan spelas av den heta och mindre täta plasman från den yttre magnetosfären. [19] Plasmas permutationsinstabilitet leder till utbyte mellan magnetosfärens inre och yttre delar genom rör av fältlinjer fyllda med plasma. De tomma rören rör sig mot planeten, medan de plasmafyllda från Io rör sig bort från Jupiter. [19] Detta utbyte av rör av fältlinjer orsakar en sorts magnetosfärisk turbulens . [31]
Denna mycket hypotetiska teori om utbyte av rör av fältlinjer bekräftades delvis under förbiflygningen av Galileo , som upptäckte regioner med reducerad plasmadensitet och en ökning av fältstyrkan i den inre magnetosfären. [19] Dessa tomrum kan motsvara praktiskt taget tomma rör av fältlinjer som kommer från den yttre magnetosfären. I den mellersta magnetosfären registrerade Galileo ett fenomen som uppstår när het plasma från den yttre magnetosfären kolliderar med magnetoskivan, vilket leder till en ökning av flödet av högenergipartiklar och stärker magnetfältet. [33] Den mekanism som transporterar den kalla plasman utåt är dock ännu inte känd.
När fältlinjerören fyllda med Ios kalla plasma når den yttre magnetosfären går de igenom en fältlinjeåterkopplingsprocess som separerar magnetfältet från plasman. [29] Den återvänder sedan genom den inre magnetosfären i rör av fältlinjer fulla av varm och mindre tät plasma, och den senare verkar utskjutas i magnetotailen i form av plasmoider , stora klumpar av plasma. Processen för återkoppling av fältlinjer kan motsvara de globala fenomenen "omkonfiguration" som observerats av rymdfarkosten Galileo, som inträffade regelbundet var 2-3 dag. [34] Omkonfigurationsfenomenet inkluderade en snabb och kaotisk förändring av magnetfältets styrka och dess riktning, såväl som plötsliga förändringar i plasmans rörelse, som slutade rotera och rann ut. Fenomenet observerades huvudsakligen i gryningssektorn av nattmagnetosfären. [34] Plasma strömmar i öppna kraftlinjer längs magnetsvansen, och detta kallas "planetvinden". [18] [35]
Fältlinjeåterkopplingsfenomenet är analogt med jordmagnetiska substormar i magnetosfären. [29] Skillnaden är att: terrestra substormar överför energin som ackumulerats från solvinden till den magnetiska svansen och frigör den genom återkopplingsfenomenet i lagret av neutrala strömmar i magnetotailen. Senare bildas en plasmoid som rör sig längs svansen. [36] Och i den jovianska magnetosfären lagras rotationsenergin i magnetoskivan och frigörs i form av plasmoider som är separerade från skivan. [34]
Medan dynamiken i Jupiters magnetosfär främst beror på interna energikällor, spelar solvinden en sekundär roll, [37] mestadels som en källa till högenergiprotoner . [not 5] [7] Strukturen av den yttre magnetosfären uppvisar några av de fenomen som är inneboende i magnetosfären som bildas av solvinden, inklusive uttalad morgon-eftermiddagsasymmetri. [21] Särskilt de magnetiska linjerna i kvällssektorn lutar i motsatt riktning i förhållande till morgonsektorn. [21] Dessutom finns det i morgonmagnetosfären öppna fältlinjer kopplade till den magnetiska svansen, medan i kvällsmagnetosfären är fältlinjerna stängda. [16] Dessa observationer indikerar att solvinden som orsakar fältlinjeåterkopplingsprocessen, känd på jorden som Dangy-cykeln , kan också pågå i Jupiters magnetosfär. [29] [37]
Graden av inverkan av solvinden på den jovianska magnetosfären är för närvarande okänd [38] ; den kan dock vara särskilt stark under perioder med ökad solaktivitet [39] . Radio [5] , optiska emissioner och röntgenstrålning från norrsken [40] , samt synkrotronstrålning från strålningsbälten, korrelerar med solvindtrycket; vilket gör att solvinden kan påverka plasmans rörelse och till och med reglera de inre processerna i magnetosfären [34] .
På Jupiter förekommer ständigt ljusa norrsken i området för båda polerna. Till skillnad från terrestra norrsken, som är övergående och endast inträffar under tider av ökad solaktivitet, är Jupiters norrsken permanenta, även om deras intensitet varierar från dag till dag. De består av tre huvudkomponenter: huvudsakliga ovaler, ljusa, relativt smala (mindre än 1000 km breda) cirkulära formationer, som sträcker sig omkring 16° från magnetpolerna [41] ; polära fläckar från planetens naturliga satelliter, som motsvarar spår av magnetiska fältlinjer som förbinder Jupiterian jonosfären med de största satelliterna, och kortsiktiga utsläpp av polär strålning i regionen av huvudovalen [41] [42] . Jupiters norrskensstrålning har upptäckts i alla delar av det elektromagnetiska spektrumet - från radioemission till röntgenstrålning (upp till 3 keV), men de strålar starkast i den mellaninfraröda strålningen (våglängd 3-4 mikron och 7-14 mikron) och i de avlägsna ultravioletta spektralområdena (våglängd 80-180 nm) [9] .
De viktigaste ovalarna är den dominerande komponenten i Jupiters norrsken. De har en stabil form och placering [42] , men deras intensitet är starkt beroende av solvindtrycket: ju starkare solvinden är, desto svagare är norrskenet [43] . De huvudsakliga ovalarna stöds av ett starkt inflöde av elektroner som accelereras av plasmans elektriska potential från magnetodisken och den Jupiteriska jonosfären [44] . Dessa elektroner bär med sig Birkelandsströmmarna, som upprätthåller rotationen av plasmat i magnetoskivan [29] . Den elektriska potentialen slutar att växa eftersom den försålda plasman utanför ekvatorialskiktet endast kan bära en ström av begränsad styrka utan dessa strömmar [30] . De "utfällande" elektronerna har energier i intervallet 10-100 keV och tränger djupt in i Jupiters atmosfär, där de joniserar och exciterar molekylärt väte, vilket orsakar ultraviolett strålning [45] . Den totala energin som kommer in i jonosfären är från 10 till 100 TW [46] . Strömmar som strömmar genom jonosfären värmer upp den i en process som kallas " Joule-uppvärmning ". Denna process, som producerar upp till 300 TW energi, är ansvarig för den starka infraröda strålningen från jovianska norrsken och delvis för uppvärmningen av den jovianska termosfären [47] .
| Strålning | Jupiter | Spot Io |
|---|---|---|
| Radio (<0,3 MHz) | ~1 GW | ? |
| Radio (0,3-3 MHz) | ~10 GW | ? |
| Radio (3-40 MHz) | ~100 GW | 0,1-1 GW |
| Infraröd (kolväten, 7-14 mikron) | ~40 TW | 30-100 GW |
| Infraröd (H 3 + , 3-4 µm) | 4-8 TW | |
| Synlig (0,385-1 µm) | 10-100 GW | 0,3 GW |
| Ultraviolett (80-180 nm) | 2-10 TW | ~50 GW |
| Röntgen (0,1-3 keV) | 1-4 GW | ? |
Så kallade "fläckar" har hittats överensstämmande med tre galileiska månar: Io, Europa och Ganymedes . [not 6] [49] De är märkbara eftersom rotationen av plasmat saktar ner i närheten av satelliterna. Den ljusaste punkten tillhör Io, den huvudsakliga plasmakällan i magnetosfären (se ovan). Ios solfläck tros vara relaterad till Alfvén-vågor som färdas från Jupiters jonosfär till Ios jonosfär. Fläckarna i Europa och Ganymedes är mycket svagare eftersom dessa satelliter är svaga källor till plasma på grund av avdunstning av isvatten från deras ytor. [femtio]
Ljusa bågar och fläckar dyker upp då och då inuti de viktigaste ovalarna. Dessa kortsiktiga fenomen är förknippade med interaktion med solvinden. [42] De magnetiska fältlinjerna i denna region är antingen öppna eller visas på magnetsvansen. [42] Sekundära ovaler som observeras inom primära ovaler kan hänvisa till gränsen mellan öppna och slutna magnetfältlinjer eller till polära " kuspar ". [51] Emissionen av Jupiters norrsken liknar det som sker runt jordens poler: Båda uppträder när elektroner som accelereras mot planeten genomgår en återkopplingsprocess av solens magnetfältslinjer med de planetära. [29] Regioner inom de viktigaste ovalerna avger mycket röntgenstrålar. Det polära röntgenspektrumet innehåller spektrallinjer av starkt joniserat syre och svavel, som troligen uppstår när högenergiska (hundratals kiloelektronvolt) S- och O-joner sätter sig i Jupiters polära atmosfär. Orsaken till denna sättning är fortfarande okänd. [40]
Jupiter är en kraftfull källa för radiovågor som sträcker sig från några kilohertz till tiotals megahertz . Radiovågor med frekvenser mindre än cirka 0,3 MHz (och därför med en våglängd på mer än 1 km) kallas Jupiter kilometerstrålning (förkortat på engelska: KOM). Radiovågor i området från 0,3 till 3 MHz (med en våglängd på 100 till 1000 m) kallas hektometrisk strålning (förkortat HOM), och strålning mellan 3 och 40 MHz (med en våglängd på 10 till 100 m) kallas decimetrisk strålning (eller förkortat DAM). ). Radioemission, som först observerades från rymden på jorden med en frekvens på cirka 10 timmar, som det visade sig, tillhörde Jupiter. Den starkaste delen av decimetrisk strålning, relaterad till Io och strömsystemet: Io-Jupiter, förkortas som Io-DAM. [52] [not 7]
Det mesta av denna strålning tros produceras av en mekanism som kallas "Cyclotron Maser Instability" som kan observeras nära norrskensområden när elektroner rör sig mellan polerna. Elektronerna som är involverade i genereringen av radiovågor är förmodligen desamma som för strömmar från planetens poler till magnetodisken. [53] Intensiteten av Jupiters radioutstrålning tenderar att ändras smidigt med tiden; Jupiter avger dock periodvis korta och kraftfulla strålningsskurar (S-skurar) som kan vara fler än andra komponenter. Den totala emissiviteten för "DAM"-komponenten är cirka 100 GW, kombinerat för HOM/KOM-komponenterna är cirka 10 GW. Som jämförelse är den totala effekten av radioemission från jorden endast 0,1 GW. [52]
Jupiters radio- och partikelstrålning är strikt knuten till planetens rotation, vilket gör planeten något lik en pulsar . [54] Modulationernas periodicitet är troligen relaterad till asymmetrin i Jupiters magnetosfär, som i sin tur är relaterad till lutningen av det magnetiska momentet med avseende på planetens rotationsaxel och till magnetiska anomalier på hög latitud . Fysiken som styr skurar i Jupiters radioemission liknar den för pulsarer. Endast fjällen skiljer sig åt, och därför anses Jupiter ofta vara en mycket liten pulsar. [54] Det har observerats att skurar i Jupiters radioutstrålning också är förknippade med en ökning av solaktiviteten . [52]
Förutom radioemissioner med relativt lång våglängd sänder Jupiter också ut synkrotronstrålning (även känd som Jupiter decimeterstrålning eller "DIM") vid frekvenser på 0,1-15 GHz (våglängder från 3 m till 2 cm), [55] vilket är bremsstrahlung av relativistiska elektroner fångade i planetens inre strålningsbälten. Energin hos elektronerna som följer med "DIM"-strålningen är 0,1-100 meV, [56] och det huvudsakliga bidraget till den görs av elektroner med energier från 1 till 20 meV. [8] Denna strålning är väl förstådd och studerad och har använts sedan början av 1960-talet för att studera strukturen av det planetariska magnetfältet och strålningsbälten. [57] Partiklar i strålningsbälten härstammar från den yttre magnetosfären och accelererar adiabatiskt när de kommer in i den inre. [24]
Jupiters magnetosfär skjuter ut strömmar av högenergielektroner och joner (med energier upp till tiotals meV) som når jordens omloppsbana. [58] Dessa partikelströmmar är mycket kollimerade och varierar med planetens rotationsperiod, precis som radioutstrålning. I detta avseende liknar Jupiter också en pulsar. [54]
Jupiters enorma magnetosfär omfattar banorna och fyra galileiska satelliter och ringsystemet. [59] Dessa kroppar, som kretsar nära den magnetiska ekvatorn, fungerar som både källor och absorberare av magnetosfäriskt plasma, och energirika partiklar från magnetosfären förändrar sina ytor. Partiklarna pulvriserar materia från ytan och orsakar kemiska reaktioner genom radiolys . [60] Plasmarotation från planeten innebär att plasman huvudsakligen interagerar med satelliternas ledande halvklot, vilket orsakar hemisfäriska asymmetrier. [61] Å andra sidan bidrar stora satellitmagnetiska fält till Jupiters magnetosfär. [59]
Planetringar nära Jupiter och små satelliter absorberar högenergipartiklar (med en energi på mer än 10 keV) från strålningsbälten. [62] Detta skapar märkbara förändringar i den rumsliga fördelningen av bältena och påverkar decimeterns synkrotronstrålning. Intressant nog föreslogs själva existensen av Jupiters ringar baserat på data från rymdfarkosten Pioneer 11 , som upptäckte en kraftig minskning av antalet högenergijoner nära planeten. [62] Det planetariska magnetfältet påverkar starkt rörelsen av submikrometerpartiklar i ringarna, som laddas elektriskt av solens ultravioletta strålning . Deras beteende liknar det för roterande joner . [63] Resonansväxelverkan mellan rotations- och orbitalrörelse är ansvarig för uppkomsten av den så kallade "Halo-ringen" (belägen mellan 1,4 och 1,71 R J från planeten), som består av submikrometerpartiklar i mycket lutande och excentriska banor. [64] Partiklar härstammar från huvudringen; när de driver mot Jupiter förändras deras banor som svar på en stark 3:2 "Lorentz-resonans" som ligger på ett avstånd av 1,71 R J , vilket ökar deras lutning och excentricitet. [not 8] En annan 2:1 Lorentz-resonans på ett avstånd av 1,4 Rj definierar Halo-ringens inre gräns. [65]
Alla de galileiska satelliterna har tunna atmosfärer med yttryck i intervallet 0,01 till 1 nanobar , men har betydande jonosfärer med elektrondensiteter från 1 000 till 10 000 cm −3 . [59] Den roterande kalla magnetosfäriska plasman avleds delvis av dem på grund av strömmarna som skapas av deras jonosfärer, och skapar strukturer som kallas "Alfvén-vingar". [66] Samspelet mellan stora satelliter med rotationsflöden liknar solvindens interaktion med planeter utan magnetfält - som Venus , vanligtvis är rotationshastigheten subsonisk (hastigheten varierar från 74 till 328 m/s), vilket förhindrar bildandet av en bågchock . [67] Trycket från den roterande plasman tar bort gaser från satelliternas atmosfär (särskilt på Io), och många av deras atomer joniseras och är involverade i rotation. Denna process skapar gasformiga och plasmatori nära satelliternas banor, och bland dem är Ios torus den mest märkbara. [59] Faktum är att de galileiska satelliterna (främst Io) fungerar som de huvudsakliga plasmakällorna i Jupiters inre och mellersta magnetosfär. Samtidigt är energipartiklarna i stort sett oberoende av Alfvén-vingarna och har fri tillgång till satelliternas yta (exklusive Ganymedes). [68]
De isiga galileiska månarna Europa , Ganymedes och Callisto skapar alla ett induktivt magnetiskt ögonblick som svar på förändringar i Jupiters magnetfält. Dessa olika magnetiska moment skapar dipolmagnetiska fält runt dem som kompenserar för miljöförändringar. [59] Induktion tros ske i lager av saltvatten nära ytan, som tros finnas på alla Jupiters stora isiga månar. Liv kunde existera i dessa underjordiska hav, och bevisen för deras existens var en av Galileos viktigaste upptäckter . [69]
Samspelet mellan Jupiters magnetosfär och Ganymedes, som har ett motsvarande magnetiskt moment, skiljer sig från dess interaktion med satelliter som saknar magnetfält. [69] Ganymedes inre magnetfält skapar ett slags hålrum inuti Jupiters magnetosfär med en diameter på cirka två Ganymedes, en sorts minimagnetosfär inuti Jupiters. Ganymedes magnetfält tvingar rotationsplasman att flöda runt dess sida. Det tjänar också till att skydda satellitens ekvatorialområden, där de magnetiska kraftlinjerna är stängda, från energipartiklar. Men de träffar fritt satellitens yta i området för polerna, där de magnetiska kraftlinjerna fortfarande är öppna. [70] Många energiska partiklar fångas i ekvatorialområdet Ganymedes, vilket skapar miniatyrstrålningsbälten. [71] Högenergielektroner som kommer in i månens tunna atmosfär är ansvariga för norrskenet som observeras på Ganymedes. [70]
Laddade partiklar har en betydande effekt på de galileiska satelliternas ytegenskaper. Plasman som härstammar från Io bär med sig många svavel- och natriumjoner från satelliten, [72] där de bosätter sig huvudsakligen på Europas och Ganymedes efterföljande halvklot. [73] På Callisto ackumuleras dock svavel av okända orsaker i regionen av den ledande halvklotet. [74] Plasma är också med största sannolikhet ansvarig för mörkläggningen av de bakre halvklotet av de galileiska månarna (igen, med undantag för Callisto). [61] Högenergielektroner och joner bombarderar ytisen på satelliter i en enda ström och orsakar radiolys av vatten och andra kemiska föreningar . Högenergipartiklar bryter vatten till syre och väte , och upprätthåller den tunna syreatmosfären i de iskalla satelliterna (eftersom vätet flyr ut snabbare). Föreningar som produceras av de galileiska månarnas ytor genom radiolys inkluderar också ozon och väteperoxid . [75] Om det finns organiska ämnen eller karbonater måste det finnas koldioxid , metanol och kolsyra . När svavel är närvarande kommer svaveldioxid, vätepersulfid och svavelsyra att vara närvarande . [75] Oxidationsmedel som produceras genom radiolys, såsom syre och ozon, kan frysa i is och falla till botten av subglaciala hav och tjäna som möjliga källor för liv. [72]
Det första beviset på att det fanns ett magnetfält nära Jupiter dök upp 1955 med upptäckten av dess dekameterradioutstrålning. [76] Eftersom spektrumet för dekameterradioemission fortsatte till 40 MHz , föreslog astronomer att Jupiter måste ha ett magnetfält med en styrka på cirka 1 millitesla (10 gauss ). [55]
1959 ledde observationer i mikrovågsdelen av det elektromagnetiska spektrumet (0,1-10 GHz ) till upptäckten av Jupiters decimeterradioemission (DIM) och insikten om att detta är synkrotronstrålning som sänds ut av relativistiska elektroner fångade i planetens strålningsbälten. [77] De resulterande data om synkrotronstrålning har använts för att uppskatta antalet och energin hos elektroner runt Jupiter, och har också lett till förbättrade uppskattningar av det magnetiska momentet och dess lutning. [7]
År 1973 var det magnetiska momentet nästan exakt känt, och dess lutning var inställd på 10°. [12] Dekametermodulationer orsakade av Io (den så kallade Io-DAM-strålningen) upptäcktes 1964 och gjorde det möjligt att förfina planetens rotationsperiod . [5] Den slutliga bekräftelsen på att Jupiters magnetfält fanns 1973, när Pioneer 10 flög i närheten av planeten . [1] [not 9]
Från och med 2015 har totalt 8 rymdfarkoster flugit i närheten av Jupiter, och alla har bidragit till förståelsen av denna gigantiska planets magnetosfär. Den första rymdsonden som nådde Jupiter var Pioneer 10 i december 1973, som passerade på ett avstånd av 2,9 RJ [ 12] från planetens centrum. [1] Dess tvilling, Pioneer 11 , besökte Jupiter ett år senare, efter en mycket lutande bana och passerade närmare, 1,6 RJ från planeten. [12]
Pioneer-programmet hjälpte till att bättre förstå Jupiters interna magnetfält. [6] Strålningsnivåerna i närheten av Jupiter var tio gånger kraftigare än Pioneers designers hade förväntat sig, och detta väckte tvivel om att farkosten skulle överleva förbiflygningen; men trots vissa hicka lyckades pionjärerna passera genom strålningsbälten, bevarade av det faktum att Jupiters magnetosfär "dinglade" något uppför flygbanan, bort från farkosten. Men Pioneer 11 förlorade de flesta av Ios fotografier, vilket gjorde att den inbyggda Polarimetern inte fungerade och fick den att ta emot sporadiska kommandon. Voyagers som följde pionjärerna designades om på ett sådant sätt att de förblir operativa även i en aggressiv strålningsmiljö. [25]
Voyagers 1 och 2 anlände till Jupiter 1979-1980 och fortsatte nästan i ekvatorialplanet. Voyager 1 passerade inom 5 RJ från planetens centrum, [12] och var den första som kolliderade med Ios plasmatorus. [6] Voyager 2 passerade inom 10 RJ [ 12] och upptäckte strömmar i ekvatorialplanet. Nästa sond som passerade nära Jupiter var Ulysses 1992, som studerade den polära magnetosfären. [6]
Galileo kretsade runt Jupiter från 1995 till 2003 och gav en allomfattande täckning av Jupiters magnetosfär i ekvatorialplanet upp till ett avstånd av 100 R J . Den magnetiska svansen och grynings- och solnedgångsdelarna av magnetosfären studerades också. [6] Trots att Galileo framgångsrikt klarade den svåra strålningsmiljön nära Jupiter, uppstod fortfarande tekniska problem. I synnerhet fungerade gyroskop med fel. Vid flera tillfällen ledde elektriska ljusbågar som passerade mellan de roterande och stationära delarna av sonden att den gick i säkert läge , vilket ledde till fullständig förlust av data vid 16, 18 och 33 pass. Strålningen orsakade också fasförskjutningar i vad som troddes vara en ultrastabil kristalloscillator . [78]
När Cassini flög förbi Jupiter 2000 samordnade han mätningar med Galileo. [6] Den sista sonden som flög förbi Jupiter var New Horizons 2007, som genomförde en unik studie av den magnetiska svansen och flög längs den 2500 R J . [32] Emellertid är täckningen och täckningen av den jovianska magnetosfären fortfarande svag. Framtida studier ( Juno , till exempel) kommer att vara viktiga för att förstå dynamiken i denna planets magnetosfär. [6]
År 2003 genomförde och publicerade NASA en konceptstudie kallad Human Exploration of the Outer Planets (HOPE) angående framtiden för människans utforskning av det yttre solsystemet. Möjligheten att bygga en ytbas på Callisto diskuterades, på grund av de låga strålningsnivåerna på grund av avståndet från Jupiter, och satellitens geologiska stabilitet. Callisto är för närvarande Jupiters enda galileiska satellit, vars spaning är möjlig av människan. Nivån av joniserande strålning på Io, Europa och Ganymedes är outhärdlig för människokroppen, och lämpliga åtgärder för att motverka den har ännu inte utvecklats. [79]
| Jupiter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Egenskaper | |||||||
| satelliter |
| ||||||
| Forskning | |||||||
| Övrig | |||||||
| se även Kategori:Jupiter solsystem | |||||||