| Åbning | |
|---|---|
| Opdager | Pioneer-10 |
| åbningsdato | december 1973 [1] |
| Indre felt | |
| Jupiter radius | 71.492 km |
| Magnetisk øjeblik | 1,56⋅10 20 T m³ _ |
| Ækvatorial feltstyrke | 428 μT (4,28 gauss ) |
| dipolhældning _ | ~10° |
| Dipol akse længdegrad | ~159° |
| Rotationsperiode | 9 t 55 m 29,7 ± 0,1 s |
| Karakteristika for solvinden | |
| Hastighed | 400 km/s [2] |
| IMF -spændinger | 1 nT |
| Massefylde | 0,4 cm -3 |
| Karakteristika for magnetosfæren | |
| Bue sprængafstand | ~82 R J [3] [4] [5] |
| Magnetopause afstand | 50-100 R J |
| Længde af magnetohale | mere end 7000 RJ |
| Grundlæggende ioner | O + , S + og H + |
| Plasmakilder | Io , solvind , ionosfære |
| Massetilstrømningshastighed | ~1000 kg/s |
| Maksimal plasmadensitet | 2000 cm −3 [6] [7] [8] |
| Maksimal partikelenergi | Over 100 MeV |
| Polarlys | |
| Spektrum | radioemission, nær-IR , UV og røntgen |
| Samlet kraft | 100 TW [9] |
| Radiofrekvenser | 0,01-40MHz _ |
Jupiters magnetosfære er et hulrum skabt i solvinden af Jupiters planetmagnetiske felt , hvor forskellige processer af vekselvirkning mellem solvinden, det interplanetariske magnetfelt, Jupiters eget magnetfelt og dets omgivende plasma finder sted. Jupiters magnetosfære , der strækker sig mere end 7 millioner kilometer mod Solen og næsten til Saturns bane i den modsatte retning, er den største og kraftigste af alle planetariske magnetosfærer i solsystemet , og volumenmæssigt er den den største sammenhængende struktur i solsystemet efter heliosfæren . Bredere og fladere end Jordens magnetosfære , Jupiters er flere størrelsesordener kraftigere, og dens magnetiske moment er omkring 18.000 gange større. Eksistensen af Jupiters magnetosfære blev afsløret under radioobservationer i slutningen af 1950'erne, først observeret direkte af Pioneer 10 - apparatet i 1973.
Jupiters indre magnetfelt genereres af en elektrisk strøm, der flyder i planetens ydre kerne, som er sammensat af metallisk brint . Vulkanudbrud på Jupiters måne Io sender store mængder svovloxid ud i rummet og danner en stor gastorus rundt om planeten. Kræfterne i Jupiters magnetfelt får torusen til at rotere med samme vinkelhastighed og i samme retning som planeten. Thor genopbygger planetens magnetfelt med plasma , som, mens det roterer, strækkes til en pandekagelignende struktur kendt som en magnetisk skive . I det væsentlige er Jupiters magnetosfære formet af Ios plasma og dets egen rotation i langt højere grad end af solvinden , i modsætning til Jordens. De kraftige strømme, der flyder i magnetosfæren, forårsager vedvarende nordlys omkring planetpolerne og mærkbare udsving i radioemission, hvilket betyder, at Jupiter i nogle henseender kan betragtes som en meget svag radiopulsar . Jupiters nordlys er blevet observeret i næsten alle dele af det elektromagnetiske spektrum , inklusive infrarøde , synlige , ultraviolette og bløde røntgenstråler .
Påvirkningen af magnetosfæren fanger og accelererer partikler, hvilket skaber intense strålingsbælter svarende til Jordens Van Allen-bælter, men tusindvis af gange kraftigere. Samspillet mellem energiske partikler og overfladen af Jupiters største satellitter påvirker mærkbart deres kemiske sammensætning og fysiske egenskaber. Indvirkningen af disse partikler påvirker også bevægelsen af støv og stenfragmenter inde i Jupiters ubetydelige ringsystem . Strålingsbælter udgør en alvorlig fare for rumfartøjer og potentielle bemandede ekspeditioner.
Jupiters magnetosfære er en kompleks struktur, der omfatter buechok , magnetoshed , magnetopause , magnetohale , magnetodisk og andre komponenter. Magnetfeltet omkring Jupiter skabes på grund af en række fænomener, for eksempel på grund af væskecirkulation i planetens kerne (det indre felt), elektrisk strøm i plasmaet omkring Jupiter og strømme, der flyder ved grænsen af planetens magnetosfære. Magnetosfæren er nedsænket i solvindplasma , som bærer det interplanetariske magnetfelt med sig . [ti]
En stor del af Jupiters magnetfelt, ligesom Jordens , genereres af en intern dynamo , der opretholdes af cirkulationen af en elektrisk ledende væske i den ydre kerne. Men mens Jordens kerne er lavet af smeltet jern og nikkel , er Jupiters kerne lavet af metallisk brint [4] . Ligesom Jordens er Jupiters magnetfelt primært en dipol med nord- og sydmagnetiske poler i modsatte ender af den magnetiske akse [3] . Men på Jupiter ligger dipolens nord- og sydmagnetiske poler i de samme halvkugler af planeten, mens i Jordens tilfælde tværtimod er den nordlige magnetiske pol af dipolen placeret på den sydlige halvkugle, og den sydlige - i den nordlige [11] [note 1] . Jupiters magnetfelt indeholder også højere multipolkomponenter - quadrupol , octupol , etc., men de er mindst en størrelsesorden svagere end dipolkomponenten [3] .
Dipolen hælder ca. 10° i forhold til Jupiters omdrejningsakse; denne hældning er tæt på Jorden (11,3°) [1] [3] . Den ækvatoriale induktion af magnetfeltet er cirka 428 μT (4,28 G , cirka 10 gange Jordens), hvilket svarer til et dipolmagnetisk moment på cirka 1,53⋅10 20 T m³ ( 18.000 gange Jordens) [4] [note 2] . Jupiters magnetfelt roterer med samme vinkelhastighed som området under atmosfæren, med en periode på 9 t 55 m. Ingen mærkbare ændringer i styrke eller struktur er blevet observeret siden de første Pioneer 10 -målinger i midten af 1970'erne [note 3 ] .
Jupiters indre magnetfelt skaber en forhindring i solvindens vej , en strøm af ioniserede partikler, der strømmer fra den øvre solatmosfære , forhindrer ionstrømme i at nå Jupiters atmosfære , afleder dem væk fra planeten og skaber en slags hulrum i solen. vind kaldet magnetosfæren, som består af plasma , der adskiller sig fra solvindens plasma [6] . Jupiters magnetosfære er så stor, at hvis du placerer Solen selv med dens synlige korona i, så vil der stadig være plads nok [12] . Hvis det kunne observeres fra Jorden, ville det optage mere end fem gange pladsen af fuldmånen på himlen , på trods af at Jupiter er mere end 1700 gange længere end Månen [12] .
Som i tilfældet med Jordens magnetosfære kaldes grænsen, der adskiller solvindens tættere og koldere plasma fra den varmere og mindre tætte i Jupiters magnetosfære, magnetopausen [6] . Afstanden mellem magnetopausen og planetens centrum er fra 45 til 100 RJ (hvor RJ = 71.492 km er Jupiters radius) ved subsolar punkt , et ikke-fikseret punkt på planetens overflade, hvor Solen vil være direkte over observatøren [6] . Placeringen af magnetopausen afhænger af trykket fra solvinden, som igen afhænger af niveauet af solaktivitet [13] . Foran magnetopausen (i en afstand af 80 til 130 R J fra planetens centrum) er der et buechok , en bølgelignende forstyrrelse i solvinden forårsaget af dens kollision med magnetosfæren [14] [15] . Området mellem magnetopausen og buestødet kaldes det magnetiske overgangslag , eller magnetosheath [6] .
Ud over planetens natside trækker solvinden Jupiters magnetiske feltlinjer ind i en lang, aflang magnetohale , der nogle gange endda strækker sig ud over Saturns bane . [16] I sin struktur ligner halen på den jovianske magnetosfære Jordens hale. Den består af to "kronblade" (områder markeret med blåt i diagrammet). Magnetfeltet i sydlappen er rettet mod Jupiter, og i nord - væk fra det. Kronbladene er adskilt af et tyndt lag plasma kaldet halestrømsarket ( aflang orange zone i diagrammet) [16] . Ligesom Jorden er Jupiters magnetosfæriske hale en kanal, hvorigennem solplasma kommer ind i magnetosfærens indre områder, hvor den opvarmes og danner strålingsbælter i en afstand på mindre end 10 RJ fra Jupiter [ 17] .
Formen af Jupiters magnetosfære beskrevet ovenfor understøttes af:
Traditionelt er Jupiters magnetosfære opdelt i tre dele: den indre, midterste og ydre magnetosfære. Den indre ligger i en afstand på op til 10 R J fra planetens centrum. Magnetfeltet inde i det er overvejende en dipol, fordi bidraget fra strømmene, der passerer gennem det ækvatoriale plasmaplade, er meget ubetydeligt her. I den midterste (mellem 10 og 40 R J ) og ydre (herefter 40 R J ) magnetosfærer afviger magnetfeltet fra dipolstrukturen og forstyrres alvorligt af plasmalagets påvirkning (se afsnittet om magnetisk disk nedenfor ) [6 ] .
Selvom Jupiters magnetosfære generelt minder om Jordens i form, er deres strukturer meget forskellige nær planeten [13] . Io , en vulkansk aktiv satellit af Jupiter, er en kraftig kilde til plasma og genopbygger Jupiters magnetosfære med ~1000 kg nyt stof hvert sekund [7] . Stærke vulkanudbrud på Io løfter svovldioxid ud i det ydre rum , hvoraf det meste dissocieres til atomer og ioniseres af solens ultraviolette stråling . Som følge heraf dannes svovl- og oxygenioner : S + , O + , S 2+ og O 2+ [18] . Disse ioner forlader månens atmosfære og danner Ios plasma torus: en massiv og relativt kold ring af plasma, der omgiver Jupiter langs månens bane [7] . Temperaturen af plasmaet inde i torusen når 10-100 eV ( 100.000-1.000.000 K ), hvilket er meget lavere end energien af partikler i strålingsbælterne - 10 keV (100 millioner K). Plasmaet inde i torusen drives af Jupiters magnetfelt "frosset" ind i det til rotation med samme periode som Jupiter selv [19] (en sådan synkron rotation kaldes corotation ). Tor Io har en betydelig indflydelse på dynamikken i hele Jupiters magnetosfære [20] .
Som et resultat af flere processer, blandt hvilke hovedrollen spilles af diffusion og udvekslingsustabilitet , forlader plasmaet langsomt planetens nærhed [19] . Efterhånden som plasmaet bevæger sig væk fra Jupiter, øger de radiale strømme, der strømmer gennem det, gradvist deres hastighed og opretholder samrotation [6] . Disse radiale strømme tjener også som kilde til magnetfeltets azimutkomponent, som som følge heraf bøjer bagud i forhold til rotationsretningen [21] [21] . Koncentrationen af partikler i plasmaet falder fra 2000 cm −3 i torus af Io til omkring 0,2 cm −3 i en afstand af 35 R J [22] . I den midterste magnetosfære, i en afstand på mere end 20 R J fra Jupiter, stopper corotationen gradvist, og plasmaet roterer langsommere end planeten [6] . I sidste ende, i en afstand på mere end 40 RJ ( i den ydre magnetosfære), forlader plasmaet endelig magnetfeltet og går ind i det interplanetariske rum gennem magnetohalen [23] . Når det bevæger sig udad, skifter det kolde og tætte plasma sted med varmt forkælet plasma (med en temperatur på 20 keV (200 millioner K) eller højere), der bevæger sig fra den ydre magnetosfære [22] . Dette plasma, der nærmer sig Jupiter og trækker sig sammen, opvarmes adiabatisk [24] og danner strålingsbælter i den indre magnetosfære [7] .
I modsætning til Jordens magnetfelt , som har en tilnærmelsesvis dråbelignende form, er Jupiters felt mere fladtrykt, mere som en skive og svinger periodisk om aksen [25] . Hovedårsagen til denne skiveformede konfiguration er centrifugalkraften forårsaget af plasmaets og det magnetiske felts samrotation, såvel som det varme plasmas termiske tryk. Begge fænomener fører til strækning af de magnetiske feltlinjer, der i en afstand på mere end 20 R J fra planeten danner en fladtrykt, pandekagelignende struktur, kendt som den "magnetiske skive" [6] [26] . I midterplanet, omtrent nær den magnetiske ækvator, indeholder denne skive et tyndt strømark. [18] De magnetiske feltlinjer er rettet fra Jupiter over dette lag og mod Jupiter under det [13] . Plasmaet, der kommer fra Io, øger i høj grad størrelsen af Jupiters magnetosfære, da den magnetiske skive skaber yderligere internt tryk, som afbalancerer trykket fra solvinden [14] . Afstanden fra planeten til magnetopausen ved "subsolar-punktet", svarende til 75 R J i gennemsnit , ville være faldet til 43 R J i fravær af Io [6] .
Jupiters magnetosfære er drevet af planetens rotation. [27] I denne henseende ligner Jupiter en enhed kaldet en unipolar generator . Når Jupiter roterer, bevæger dens ionosfære sig i forhold til planetens dipolmagnetiske felt. Da det magnetiske dipolmoment peger i rotationsretningen, [11] bevæger Lorentz-kraften , der opstår som følge af denne bevægelse, negativt ladede elektroner mod polerne, og positivt ladede ioner bevæger sig mod ækvator. [28] Som et resultat bliver polerne negativt ladede, og områder tæt på ækvator bliver positivt ladede. Da Jupiters magnetosfære er fyldt med stærkt ledende plasma, fuldføres det elektriske kredsløb gennem det. [28] En strøm kaldet konstant [note 4] flyder langs magnetfeltlinjer fra ionosfæren ind i den ækvatoriale plasmaplade. Strømmen forplanter sig derefter radialt fra planeten inde i det ækvatoriale plasmaplade og vender til sidst tilbage til den planetariske ionosfære fra magnetosfærens ydre områder langs feltlinjer forbundet med polerne. Strømme, der bevæger sig langs magnetiske feltlinjer, kaldes almindeligvis Birkeland-strømme . [21] Radiale strømme interagerer med planetens magnetfelt, og den resulterende Lorentz-kraft accelererer det magnetosfæriske plasma i retning af planetens rotation. Dette er hovedmekanismen, der opretholder plasmarotation i den jovianske magnetosfære. [28]
Strømmen, der strømmer fra ionosfæren ind i plasmapladen, er især stærk, når den tilsvarende del af plasmapladen roterer langsommere end planeten. [28] Rotationen forværres i området mellem 20 og 40 R J fra Jupiter. Dette område svarer til magnetodisken, hvor magnetfeltet er stærkt strakt. [29] En stærk jævnstrøm i magnetodisken genereres i et strengt defineret breddegradsområde på omkring 16 ± 1 ° fra Jupiters magnetiske poler. Disse smalle områder svarer til de vigtigste ovaler af Jupiters nordlys . (Se nedenfor.) [30] Den omvendte strøm, der flyder fra den ydre magnetosfære i området 50 R J , kommer ind i den jovianske ionosfære nær polerne og lukker det elektriske kredsløb. Den samlede radiale strøm anslås til at være mellem 60 og 140 millioner ampere. [21] [28]
Plasmaacceleration i løbet af rotationen fører til overførsel af Jupiters rotationsenergi til plasmaets kinetiske energi. [6] [20] I denne forstand understøttes Jupiters magnetosfære af planetens rotation, mens Jordens hovedsageligt understøttes af solvinden. [tyve]
Hovedproblemet med at dechifrere dynamikken i den jovianske magnetosfære er, hvordan overførslen af tungt koldt plasma fra torus af Io i en afstand på 6 RJ til den ydre magnetosfære i en afstand på 50 RJ sker . [29] Den nøjagtige mekanisme for en sådan overførsel er ikke kendt med sikkerhed, men hypotetisk set kan den være resultatet af plasmadiffusion som et resultat af plasmaudvekslingsustabilitet. Processen ligner Rayleigh-Taylors ustabilitet i hydrodynamik . [19] I tilfældet med den jovianske magnetosfære spiller centrifugalkraften rollen som tyngdekraften; rollen som den tunge væske spilles af det kolde og tætte plasma fra Io, mens rollen som den lette væske spilles af det varme og mindre tætte plasma fra den ydre magnetosfære. [19] Plasmaets permutationsustabilitet fører til udveksling mellem de indre og ydre dele af magnetosfæren med rør af feltlinjer fyldt med plasma. De tomme rør bevæger sig mod planeten, mens de plasmafyldte fra Io bevæger sig væk fra Jupiter. [19] Denne udveksling af rør af feltlinjer forårsager en slags magnetosfærisk turbulens . [31]
Denne meget hypotetiske teori om udveksling af rør af feltlinjer blev delvist bekræftet under forbiflyvningen af Galileo , som opdagede områder med reduceret plasmatæthed og en stigning i feltstyrken i den indre magnetosfære. [19] Disse hulrum kan svare til praktisk talt tomme rør af feltlinjer, der kommer fra den ydre magnetosfære. I den midterste magnetosfære registrerede Galileo et fænomen, der opstår, når varmt plasma fra den ydre magnetosfære kolliderer med magnetodisken, hvilket fører til en stigning i strømmen af højenergipartikler og styrker magnetfeltet. [33] Den mekanisme, der transporterer det kolde plasma udad, er dog endnu ikke kendt.
Når feltlinjerørene fyldt med Ios kolde plasma når den ydre magnetosfære, gennemgår de en feltlinjegenforbindelsesproces , der adskiller magnetfeltet fra plasmaet. [29] Det vender derefter tilbage gennem den indre magnetosfære i rør af feltlinjer fulde af varmt og mindre tæt plasma, og sidstnævnte ser ud til at blive udstødt i magnetohalen i form af plasmoider , store klumper af plasma. Processen med genforbindelse af feltlinjer kan svare til de globale fænomener "rekonfiguration" observeret af rumfartøjet Galileo, som opstod regelmæssigt hver 2-3 dag. [34] Rekonfigurationsfænomenet omfattede en hurtig og kaotisk ændring i magnetfeltets styrke og dets retning, samt bratte ændringer i plasmaets bevægelse, som holdt op med at rotere og flød ud. Fænomenet blev hovedsageligt observeret i daggry-sektoren af nattemagnetosfæren. [34] Plasma flyder i åbne kraftlinjer langs magnetohalen, og dette kaldes "planetvinden". [18] [35]
Feltlinjegenforbindelsesfænomenet er analogt med jordbaserede magnetiske substorme i magnetosfæren. [29] Forskellen er, at: terrestriske substorme overfører den energi, der er akkumuleret fra solvinden til den magnetiske hale og frigiver den gennem genkoblingsfænomenet i laget af neutrale strømme i magnetohalen. Senere dannes et plasmoid, der bevæger sig langs halen. [36] Og i den jovianske magnetosfære lagres rotationsenergien i magnetodisken og frigives i form af plasmoider, der er adskilt fra disken. [34]
Mens dynamikken i Jupiters magnetosfære hovedsageligt afhænger af interne energikilder, spiller solvinden en sekundær rolle, [37] mest som en kilde til højenergiprotoner . [note 5] [7] Strukturen af den ydre magnetosfære udviser nogle af de fænomener, der er iboende i magnetosfæren dannet af solvinden, herunder udtalt morgen-eftermiddags-asymmetri. [21] Især de magnetiske linjer i aftensektoren hælder i den modsatte retning i forhold til morgensektoren. [21] Derudover er der i morgenmagnetosfæren åbne feltlinjer forbundet med den magnetiske hale, mens i aftenmagnetosfæren er feltlinjerne lukkede. [16] Disse observationer indikerer, at solvinden, der forårsager genforbindelsesprocessen for feltlinjen, kendt på Jorden som Dangy-cyklussen , også kan finde sted i Jupiters magnetosfære. [29] [37]
Graden af solvindens indflydelse på den jovianske magnetosfære er i øjeblikket ukendt [38] ; den kan dog være særlig stærk i perioder med øget solaktivitet [39] . Radio [5] , optiske og røntgenstråling fra nordlys [40] samt synkrotronstråling fra strålingsbælter korrelerer med solvindens tryk; hvilket betyder, at solvinden kan påvirke plasmaets bevægelse og endda regulere de indre processer i magnetosfæren [34] .
På Jupiter forekommer lyse nordlys konstant i området for begge poler. I modsætning til terrestriske nordlys, som er forbigående og kun forekommer i tider med øget solaktivitet, er Jupiters nordlys permanente, selvom deres intensitet varierer fra dag til dag. De består af tre hovedkomponenter: hovedovaler, lyse, relativt smalle (mindre end 1000 km brede) cirkulære formationer, der strækker sig omkring 16° fra de magnetiske poler [41] ; polære pletter fra planetens naturlige satellitter, som svarer til spor af magnetiske feltlinjer, der forbinder Jupiterian ionosfæren med de største satellitter, og kortsigtede emissioner af polar stråling i området af hovedovalen [41] [42] . Jupiters nordlysstråling er blevet detekteret i alle dele af det elektromagnetiske spektrum - fra radioemission til røntgenstråler (op til 3 keV), men de udstråler klarest i den mellem-infrarøde stråling (bølgelængde 3-4 mikron og 7-14 mikron) og i de fjerne ultraviolette spektralområder (bølgelængde 80-180 nm) [9] .
De vigtigste ovaler er den dominerende komponent i Jupiters nordlys. De har en stabil form og placering [42] , men deres intensitet er meget afhængig af solens vindtryk: Jo stærkere solvinden er, jo svagere er nordlyset [43] . De vigtigste ovaler understøttes af en stærk indstrømning af elektroner accelereret af plasmaets elektriske potentiale fra magnetodisken og den Jupiteriske ionosfære [44] . Disse elektroner fører Birkeland-strømmene med sig, som opretholder plasmaets rotation i magnetodisken [29] . Det elektriske potentiale holder op med at vokse, fordi det sarte plasma uden for ækvatoriallaget kun kan bære en strøm af begrænset styrke uden disse strømme [30] . De "udfældende" elektroner har energier i området 10-100 keV og trænger dybt ind i Jupiters atmosfære, hvor de ioniserer og exciterer molekylært brint, hvilket forårsager ultraviolet stråling [45] . Den samlede energi, der kommer ind i ionosfæren, er fra 10 til 100 TW [46] . Strømme, der strømmer gennem ionosfæren, opvarmer den i en proces kaldet " Joule-opvarmning ". Denne proces, der producerer op til 300 TW energi, er ansvarlig for den stærke infrarøde stråling fra jovianske nordlys og til dels for opvarmningen af den jovianske termosfære [47] .
| Stråling | 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 |
| Infrarød (kulbrinter, 7-14 mikron) | ~40 TW | 30-100 GW |
| Infrarød (H3 + , 3-4 µm) | 4-8 TW | |
| Synlig (0,385-1 µm) | 10-100 GW | 0,3 GW |
| Ultraviolet (80-180 nm) | 2-10 TW | ~50 GW |
| Røntgen (0,1-3 keV) | 1-4 GW | ? |
Såkaldte "pletter" er fundet i overensstemmelse med tre galilæiske måner: Io, Europa og Ganymedes . [note 6] [49] De er mærkbare, fordi rotationen af plasmaet bremses i umiddelbar nærhed af satellitterne. Det lyseste sted tilhører Io, hovedkilden til plasma i magnetosfæren (se ovenfor). Ios solplet menes at være relateret til Alfvén-bølger, der rejser fra Jupiters ionosfære ind i Ios ionosfære. Pletterne i Europa og Ganymedes er meget svagere, fordi disse satellitter er svage kilder til plasma på grund af fordampningen af vandis fra deres overflader. [halvtreds]
Lyse buer og pletter vises fra tid til anden inde i de vigtigste ovaler. Disse kortsigtede fænomener er forbundet med interaktion med solvinden. [42] De magnetiske feltlinjer i dette område er enten åbne eller vist på magnethalen. [42] Sekundære ovaler observeret inden for primære ovaler kan referere til grænsen mellem åbne og lukkede magnetfeltlinjer eller til polære " spidser ". [51] Emissionen af Jupiters nordlys ligner den, der sker omkring jordens poler: Begge opstår, når elektroner, der accelereres mod planeten, gennemgår en genforbindelsesproces af Solens magnetfeltlinjer med de planetariske. [29] Regioner inden for de vigtigste ovaler udsender en masse røntgenstråler. Det polære røntgenspektrum indeholder spektrallinjer af stærkt ioniseret oxygen og svovl, som sandsynligvis opstår, når højenergiske (hundredevis af kiloelektronvolt) S- og O-ioner sætter sig i Jupiters polære atmosfære. Årsagen til dette fald er stadig ukendt. [40]
Jupiter er en kraftig kilde til radiobølger, der spænder fra et par kilohertz til titusinder af megahertz . Radiobølger med frekvenser mindre end omkring 0,3 MHz (og derfor med en bølgelængde på mere end 1 km) kaldes Jupiter kilometer -stråling (forkortet på engelsk: KOM). Radiobølger i området fra 0,3 til 3 MHz (med en bølgelængde på 100 til 1000 m) kaldes hektometrisk stråling (forkortet HOM), og stråling mellem 3 og 40 MHz (med en bølgelængde på 10 til 100 m) kaldes decimetrisk stråling (eller DAM for kort). ). Radioemission, først observeret fra rummet på Jorden med en frekvens på omkring 10 timer, som det viste sig, tilhørte Jupiter. Den stærkeste del af decimetrisk stråling, relateret til Io og strømsystemet: Io-Jupiter, forkortes som Io-DAM. [52] [note 7]
Det meste af denne stråling menes at være produceret af en mekanisme kaldet "Cyclotron Maser Instability", som kan observeres nær nordlysområder, når elektroner bevæger sig mellem polerne. De elektroner, der er involveret i genereringen af radiobølger, er sandsynligvis de samme, som fører strømme fra planetens poler til magnetodisken. [53] Intensiteten af Jupiters radioemission har en tendens til at ændre sig jævnt med tiden; Jupiter udsender dog med jævne mellemrum korte og kraftige udbrud af stråling (S-udbrud), der kan overstige andre komponenter. Den samlede emissivitet for "DAM"-komponenten er omkring 100 GW, kombineret for HOM/KOM-komponenterne er omkring 10 GW. Til sammenligning er den samlede effekt af radioemission fra Jorden kun 0,1 GW. [52]
Jupiters radio- og partikelstråling er strengt knyttet til planetens rotation, hvilket gør planeten lidt magen til en pulsar . [54] Modulationernes periodicitet er sandsynligvis relateret til asymmetrien i Jupiters magnetosfære, som igen er relateret til hældningen af det magnetiske moment i forhold til planetens rotationsakse og til magnetiske anomalier på høje breddegrader . Fysikken, der styrer udbrud i Jupiters radioemission, ligner den for pulsarer. Kun skalaerne adskiller sig, og derfor betragtes Jupiter ofte som en meget lille pulsar. [54] Det er blevet observeret, at udbrud i Jupiters radioemission også er forbundet med en stigning i solaktiviteten . [52]
Udover relativt lang bølgelængde radioemission udsender Jupiter også synkrotronstråling (også kendt som Jupiter decimeterstråling eller "DIM") ved frekvenser på 0,1-15 GHz (bølgelængder fra 3 m til 2 cm), [55] som er bremsstrahlung af relativistiske elektroner fanget i planetens indre strålingsbælter. Energien af elektronerne, der ledsager "DIM"-strålingen, er 0,1-100 meV, [56] og hovedbidraget hertil kommer fra elektroner med energier fra 1 til 20 meV. [8] Denne stråling er velkendt og undersøgt og har været brugt siden begyndelsen af 1960'erne til at studere strukturen af det planetariske magnetfelt og strålingsbælter. [57] Partikler i strålingsbælterne stammer fra den ydre magnetosfære og accelererer adiabatisk, når de kommer ind i den indre. [24]
Jupiters magnetosfære udstøder strømme af højenergiske elektroner og ioner (med energier op til titusvis af meV), der når jordens kredsløb. [58] Disse partikelstrømme er stærkt kollimerede og varierer med planetens rotationsperiode, ligesom radioemission. I denne henseende ligner Jupiter også en pulsar. [54]
Jupiters enorme magnetosfære omfatter banerne og fire galileiske satellitter og ringsystemet. [59] Disse kroppe, der kredser nær den magnetiske ækvator, tjener som både kilder og absorbere af magnetosfærisk plasma, og energiske partikler fra magnetosfæren ændrer deres overflader. Partiklerne pulveriserer stof fra overfladen og forårsager kemiske reaktioner gennem radiolyse . [60] Plasmarotation fra planeten betyder, at plasmaet hovedsageligt interagerer med satellitternes førende halvkugler, hvilket forårsager hemisfæriske asymmetrier. [61] På den anden side bidrager store satellitmagnetiske felter til Jupiters magnetosfære. [59]
Planetringe tæt på Jupiter og små satellitter absorberer højenergipartikler (med en energi på mere end 10 keV) fra strålingsbælterne. [62] Dette skaber mærkbare ændringer i den rumlige fordeling af bælterne og påvirker decimetersynkrotronstrålingen. Interessant nok blev selve eksistensen af Jupiters ringe foreslået baseret på data fra Pioneer 11 -rumfartøjet , som opdagede et kraftigt fald i antallet af højenergi-ioner nær planeten. [62] Det planetariske magnetfelt påvirker kraftigt bevægelsen af sub-mikrometer partikler i ringene, som er elektrisk ladet af solens ultraviolette stråling . Deres adfærd ligner rotationsioners . [63] Den resonante vekselvirkning mellem rotations- og orbitalbevægelse er ansvarlig for fremkomsten af den såkaldte "Halo-ring" (placeret mellem 1,4 og 1,71 R J fra planeten), som består af sub-mikrometer partikler i meget skrå og excentriske kredsløb. [64] Partikler stammer fra hovedringen; når de driver mod Jupiter, ændres deres baner som reaktion på en stærk 3:2 "Lorentz-resonans" placeret i en afstand på 1,71 R J , hvilket øger deres hældning og excentricitet. [note 8] En anden 2:1 Lorentz-resonans i en afstand på 1,4 Rj definerer Halo-ringens indre grænse. [65]
Alle de galileiske satellitter har tynde atmosfærer med overfladetryk i området 0,01 til 1 nanobar , men har betydelige ionosfærer med elektrontætheder i området fra 1.000 til 10.000 cm - 3 . [59] Det roterende kolde magnetosfæriske plasma afledes delvist af dem på grund af de strømme, der skabes af deres ionosfærer, og skaber strukturer kaldet "Alfvén-vinger". [66] Store satellitters vekselvirkning med rotationsstrømme ligner solvindens vekselvirkning med planeter uden magnetfelt - såsom Venus , normalt er rotationshastigheden subsonisk (hastigheden varierer fra 74 til 328 m/s), hvilket forhindrer dannelsen af et buechok . [67] Trykket fra det roterende plasma fjerner gasser fra satellitternes atmosfære (især på Io), og mange af deres atomer er ioniseret og involveret i rotation. Denne proces skaber gas- og plasmatori nær satellitternes kredsløb, og blandt dem er Io-torussen den mest bemærkelsesværdige. [59] Faktisk tjener de galilæiske satellitter (hovedsageligt Io) som de vigtigste kilder til plasma i Jupiters indre og midterste magnetosfære. I mellemtiden er energipartiklerne stort set uafhængige af Alfvén-vingerne og har fri adgang til satellitternes overflade (undtagen Ganymedes). [68]
De iskolde galilæiske måner, Europa , Ganymedes og Callisto , skaber alle et induktivt magnetisk øjeblik som reaktion på ændringer i Jupiters magnetfelt. Disse forskellige magnetiske momenter skaber dipolmagnetiske felter omkring dem, der kompenserer for miljøændringer. [59] Induktion menes at forekomme i lag nær overfladen af saltvand, som menes at være til stede på alle Jupiters store iskolde måner. Der kunne eksistere liv i disse underjordiske oceaner, og beviset for deres eksistens var en af Galileos vigtigste opdagelser . [69]
Samspillet mellem Jupiters magnetosfære og Ganymedes, som har et tilsvarende magnetisk moment, er forskelligt fra dets interaktion med satellitter, der mangler magnetiske felter. [69] Ganymedes indre magnetfelt skaber en slags hulrum inde i Jupiters magnetosfære med en diameter på omkring to Ganymedes, en slags minimagnetosfære inde i Jupiters. Ganymedes magnetfelt tvinger rotationsplasmaet til at flyde rundt om siden. Det tjener også til at beskytte de ækvatoriale områder af satellitten, hvor de magnetiske kraftlinjer er lukkede, mod energipartikler. De rammer dog frit satellittens overflade i området af polerne, hvor de magnetiske kraftlinjer stadig er åbne. [70] Mange energiske partikler er fanget i ækvatorialregionen Ganymedes, hvilket skaber miniature strålingsbælter. [71] Højenergielektroner, der trænger ind i månens tynde atmosfære, er ansvarlige for nordlyset observeret på Ganymedes. [70]
Ladede partikler har en betydelig effekt på overfladeegenskaberne af de galileiske satellitter. Plasmaet, der stammer fra Io, fører mange svovl- og natriumioner med sig væk fra satellitten, [72] hvor de hovedsageligt sætter sig på de bagende halvkugler i Europa og Ganymedes. [73] På Callisto ophobes svovl af ukendte årsager i området af den førende halvkugle. [74] Plasma er også højst sandsynligt ansvarlig for mørkningen af de efterfølgende halvkugler af de galilæiske måner (igen, med undtagelse af Callisto). [61] Højenergiske elektroner og ioner bombarderer overfladeisen på satellitter i en enkelt strøm og forårsager radiolyse af vand og andre kemiske forbindelser . Højenergipartikler bryder vand til ilt og brint og bevarer den tynde iltatmosfære i de iskolde satellitter (fordi brinten undslipper hurtigere). Forbindelser produceret af overfladerne på de galilæiske måner gennem radiolyse omfatter også ozon og hydrogenperoxid . [75] Hvis der er organiske stoffer eller karbonater , skal der være kuldioxid , methanol og kulsyre . Når svovl er til stede, vil svovldioxid, hydrogenpersulfid og svovlsyre være til stede . [75] Oxidationsmidler produceret ved radiolyse, såsom ilt og ozon, kan fryse i is og falde til bunden af subglaciale oceaner og tjene som mulige kilder til liv. [72]
Det første bevis på eksistensen af et magnetfelt nær Jupiter dukkede op i 1955 med opdagelsen af dets dekameter-radioemission. [76] Da spektret af dekameter radioemission fortsatte til 40 MHz , foreslog astronomer, at Jupiter måtte have et magnetfelt med en styrke på omkring 1 millitesla (10 gauss ). [55]
I 1959 førte observationer i mikrobølgedelen af det elektromagnetiske spektrum (0,1-10 GHz ) til opdagelsen af Jupiters decimeter radioemission (DIM) og erkendelsen af, at dette er synkrotronstråling udsendt af relativistiske elektroner fanget i planetens strålingsbælter. [77] De resulterende data om synkrotronstråling er blevet brugt til at estimere antallet og energien af elektroner omkring Jupiter, og har også ført til forbedrede estimater af det magnetiske moment og dets hældning. [7]
I 1973 var det magnetiske moment næsten nøjagtigt kendt, og dets hældning blev sat til 10°. [12] Dekametermodulationer forårsaget af Io (den såkaldte Io-DAM-stråling) blev opdaget i 1964 og gjorde det muligt at forfine planetens rotationsperiode . [5] Den endelige bekræftelse af eksistensen af Jupiters magnetfelt fandt sted i 1973, da Pioneer 10 fløj i nærheden af planeten . [1] [note 9]
Fra 2015 har i alt 8 rumfartøjer fløjet i umiddelbar nærhed af Jupiter, og alle har bidraget til forståelsen af denne gigantiske planets magnetosfære. Den første rumsonde, der nåede Jupiter, var Pioneer 10 i december 1973, som passerede i en afstand af 2,9 RJ [ 12] fra planetens centrum. [1] Dens tvilling, Pioneer 11 , besøgte Jupiter et år senere, efter en meget skrå bane og passerede tættere på, 1,6 RJ fra planeten. [12]
Pioneer-programmet hjalp med at forstå Jupiters indre magnetfelt bedre. [6] Strålingsniveauerne i nærheden af Jupiter var ti gange kraftigere end Pioneers designere havde forventet, og dette rejste tvivl om, at fartøjet ville overleve forbiflyvningen; dog, på trods af nogle hikke, lykkedes det pionererne at passere gennem strålingsbælterne, bevaret af det faktum, at Jupiters magnetosfære "dinglede" lidt op ad flyvebanen, væk fra fartøjet. Pioneer 11 mistede dog de fleste af Ios fotografier, hvilket fik det indbyggede Polarimeter til at fungere dårligt og få det til at modtage sporadiske kommandoer. Voyagers , der fulgte pionererne , blev redesignet på en sådan måde, at de forbliver operationelle selv i et aggressivt strålingsmiljø. [25]
Voyagers 1 og 2 ankom til Jupiter i 1979-1980 og fortsatte næsten i ækvatorialplanet. Voyager 1 passerede inden for 5 RJ fra planetens centrum [12] og var den første, der kolliderede med Ios plasmatorus. [6] Voyager 2 passerede inden for 10 RJ [ 12] og detekterede strømme i ækvatorialplanet. Den næste sonde, der passerede nær Jupiter, var Ulysses i 1992, som studerede den polære magnetosfære. [6]
Galileo kredsede om Jupiter fra 1995 til 2003 og gav en altomfattende dækning af Jupiters magnetosfære i ækvatorialplanet op til en afstand på 100 R J . Den magnetiske hale og daggry- og solnedgangsdelene af magnetosfæren blev også undersøgt. [6] På trods af at Galileo med held modstod det alvorlige strålingsmiljø nær Jupiter, opstod der stadig tekniske problemer. Især gyroskoper arbejdede med fejl. Ved flere lejligheder fik elektriske lysbuer , der passerede mellem de roterende og stationære dele af sonden, den til at gå i sikker tilstand , hvilket førte til fuldstændigt tab af data på 16, 18 og 33 passager. Strålingen forårsagede også faseskift i, hvad man mente at være en ultrastabil krystaloscillator . [78]
Da Cassini fløj forbi Jupiter i 2000, koordinerede han målinger med Galileo. [6] Den sidste sonde, der fløj forbi Jupiter, var New Horizons i 2007, som udførte en enestående undersøgelse af den magnetiske hale og fløj langs den 2500 R J . [32] Dækningen og dækningen af den jovianske magnetosfære er dog fortsat svag. Fremtidige undersøgelser ( Juno , for eksempel) vil være vigtige for at forstå dynamikken i denne planets magnetosfære. [6]
I 2003 gennemførte og udgav NASA en konceptundersøgelse kaldet Human Exploration of the Outer Planets (HOPE) vedrørende fremtiden for menneskelig udforskning af det ydre solsystem. Muligheden for at bygge en overfladebase på Callisto blev diskuteret på grund af de lave strålingsniveauer på grund af afstanden fra Jupiter og satellittens geologiske stabilitet. Callisto er i øjeblikket den eneste galilæiske satellit af Jupiter, hvis rekognoscering er mulig af mennesker. Niveauet af ioniserende stråling på Io, Europa og Ganymedes er uudholdeligt for den menneskelige krop, og passende foranstaltninger til at modvirke det er endnu ikke blevet udviklet. [79]
| Jupiter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Egenskaber | |||||||
| satellitter |
| ||||||
| Forskning | |||||||
| Andet | |||||||
| se også Kategori:Jupiter solsystem | |||||||