Jupiters magnetosfære

Struktur

Jupiters magnetosfære er en kompleks struktur bestående av et buesjokk, magnetosheath, magnetopause, magnetohale, magnetodisk og andre komponenter. Det magnetiske feltet rundt Jupiter stråler ut fra en rekke kilder, inkludert væskesirkulasjon i planetens kjerne (det indre feltet), elektriske strømmer i plasmaen rundt Jupiter og strømmer som flyter på grensen av planetens magnetosfære. Magnetosfæren er innkapslet i plasma fra solvinden, som bærer det interplanetariske magnetfeltet.

Indre magnetfelt

Hoveddelen av Jupiters magnetfelt er, som jordens magnetfelt, generert av en indre dynamo støttet av sirkulasjonen av konduktiv væske i den ytre kjernen, men mens jordens kjerne består av flytende jern og nikkel er Jupiters sammensatt av metallisk hydrogen Som jordens magnetfelt er Jupiters også mest en dipol, med nordlige og sørlige magnetiske poler i enden av en enkelt magnetisk akse. På Jupiter derimot ligger den nordlige polen av dipolen på planetens nordlige halvkule mens den sørlige polen av dipolen ligger på den sørlige halvkulen, motsatt av jorden hvor nordpolen ligger på den sørlige halvkule og sørpolen ligger på den nordlige halvkulen. Jupiters magnetfelt har også kvadrupole og oktupole og høyere komponenter, selv om disse er mindre enn en tiendedel så sterke som den dipole komponenten.
Dipolen heller ca. 10° fra Jupiters rotasjonsakse; helningen er tilsvarende helingen på jorden (11,3°). Det ekvatoriale feltets styrke er ca. 428 μT (4,28 G), noe som samsvarer med et dipol magnetisk moment på ca. 1,53×10²⁰ T×m³. Dette gjør Jupiters magnetfelt ti ganger sterkere enn jordens, og det magnetiske momentet ca. 18 000 ganger større. Magnetfeltet roterer med samme hastighet som regionen under atmosfæren, med en periode 9 t 55 m. Siden de første målingene ble gjennomført av Pioneer-sondene midt på 1970-tallet har det ikke blitt registrert noen endringer i styrken eller strukturen til magnetfeltet.

Størrelse og form

Jupiters indre magnetfelt hindrer solvinden, en strøm av ioniserte partikler fra solen, fra å vekselvirke direkte med atmosfæren og avleder den i stedet bort fra planeten. Dette skaper et hulrom i strømmen av solvind kalt en magnetosfære, sammensatt av plasma ulik den fra solvinden. Den jovianske (det vil si i tilknytning til Jupiter) magnetosfæren er så stor at solen og dens synlige korona ville få plass inni den med plass til overs. Om den kunne ses fra jorden ville den ha fremstått fem ganger større enn fullmånen til tross for at den er nesten 1 700 ganger lengre unna.
Som med jordens atmosfære kalles grensen som deler den tette og kjøligere plasma fra solvinden fra den varmere og mindre tette plasmaen fra Jupiters magnetosfære for magnetopause. Avstanden fra magnetopausen til sentrum av planeten er fra 45 til 100 Rⱼ (hvor Rⱼ = 71 492 km er Jupiters radius) ved det subsolare punkt – det ufikserte punktet på overflaten hvor solen tilsynelatende står rett over hodet på en observatør. Posisjonen for magnetopausen avhenger av trykket fra solvinden, som igjen avhenger av solaktiviteten. Foran magnetopausen, i en avstand fra 80–130 Rⱼ fra planetens sentrum, ligger buesjokket, en bølgelignende forstyrrelse i solvinden forårsaket av kollisjonen med magnetosfæren. Regionen mellom buesjokket og magnetopausen kalles magnetosheath.
På motsatt side av planetene strekker solvinden Jupiters magnetiske feltlinjer i en lang etterfølgende magnetohale som noen ganger strekker seg godt forbi Saturns bane. Strukturen til denne halen er lignende den til jorden. Den består av to områder (blå områder på bildet) med magnetfeltet i det sørlige området pekende mot Jupiter, og den i det nordlige området pekende bort fra planeten. Områdene deles av et tynt lag med plasma kalt strømningshalen (oransje områder på bildet). Som for jorden er denne jovianske halen en kanal hvor plasma fra solen slipper inn i de indre regionene av magnetosfæren, hvor den blir varmet opp og danner strålingsbelter i avstander nærmere enn 10 Rⱼ fra Jupiter.
Formen på Jupiters magnetosfære beskrevet over opprettholdes av det nøytrale strømningssjiktet (også kjent som magnetohalestrømmen), som går med Jupiters rotasjon gjennom plasmasjikthalen, halestrømmen som flyter mot Jupiters rotasjon ved den ytre grensen av magnetohalen og magnetopausestrømmen (eller Chapman-Ferraro-strømmer) som går mot rotasjonen langs dagsidens magnetopause. Disse strømmene skaper det magnetiske feltet som bryter det indre feltet utenfor magnetosfæren. De vekselvirker også betydelig med solvinden.
Jupiters magnetosfære deles tradisjonelt inn i tre deler: den indre, den midterste og den ytre magnetosfæren. Den indre magnetosfæren ligger ved avstander nærmere enn 10 Rⱼ fra planeten. Magnetfeltet innenfor den forblir omtrentlig dipol på grunn av at strømmene som finnes i det magnetosfæriske ekvatoriale plasmasjiktet er små. I den midterste (mellom 10–40 Rⱼ) og ytre (utenfor 40 Rⱼ) magnetosfæren er ikke magnetfeltet en dipol, og forstyrres kraftig av vekselvirkningen med plasmasjiktet (se magnetodisk under).

Ios rolle

Selv om den generelle formen på Jupiters magnetosfære minner om jorden er strukturen nærmere planten svært forskjellig. Jupiters vulkansk aktive måne Io er en sterk kilde til plasma i sin egen rett, og forer Jupiters magnetosfære med så mye som 1 000 kg nytt materiale hvert sekund. Sterke vulkanske utbrudd på Io avgir store mengder svoveldioksid, hvis en stor del av er dissosiert til atomer og ionisert av solens ultrafiolette stråling som produserer ioner av svovel og oksygen: S⁺, O⁺, S²⁺ og O²⁺. Disse ionene forsvinner fra månens atmosfære og danner Ios plasmatorus: en tykk og relativt kjølig ring av plasma som går i sirkel rundt Jupiter nær banens måne.
Temperaturen på plasmaen i torusen er 10–100 eV (100 000–1 000 000 K), noe som er mye lavere enn for partiklerne i strålingsbeltet – 10 keV (100 millioner K). Plasmaen i torusen tvinges inn i en med-rotasjon med Jupiter, noe som betyr at de begge har samme rotasjonsperiode. Ios torus endrer fundamentalt dynamikken i den jovianske atmosfæren.
Som et resultat av flere prosesser – hvor diffusjon og ustabilitetsutveklsing er de viktigste unnslipningsmekanismene – lekker plasma sakte bort fra Jupiter. Etter hvert som plasmaen beveger seg lengre bort fra planeten øker de radiale strømmene som finnes i den i hastighet og opprettholder med-rotasjonen. Disse radiale strømmene er også kilden til magnetfeltets asimutale komponenter, hvis som et resultat bender seg tilbake mot rotasjonen. Partikkelnummertettheten til plasmaen synker fra ca. 2 000 cm⁻³ i Ios torus til ca. 0,2 cm⁻³ i en avstand av 35 Rⱼ.
I midten av magnetosfæren, ved avstander større enn 20 Rⱼ fra Jupiter, brytes gradvis med-rotasjonen ned og plasmaen begynner og rotere saktere enn planeten. Til slutt, ved avstander større enn 40 Rⱼ (i den ytre magnetosfæren), bryter plasmaen helt ut av magnetfeltet og forlater magnetosfæren gjennom magnetohalen. Ettersom kald, tett plasma beveger seg utover blir den erstattet av varm plasma med mindre tetthet (temperatur på 20 keV – 200 millioner K – eller høyere) som kommer fra den ytre magnetosfæren. Plasmaen som blir adiabatisk varmet når den nærmer seg Jupiter danner et strålingsbelte i Jupiters indre magnetosfære.

Magnetodisk

Mens jordens magnetfelt er omtrent dråpeformet, er Jupiters flatere og ligner mer på en disk og «slingrer» periodisk rundt sin egen akse. Hovedgrunnen for denne disklignende konfigurasjonen er sentrifugalkraften fra med-roterende plasma og termisk trykk fra varm plasma som begge strekker Jupiters magnetfeltlinjer og danner en flat pannekakelignende struktur, kjent som magnetodisken, ved avstander større enn 20 Rⱼ fra planeten. Magnetodisken har et tynt strømningssjikt nær midten av planet, omtrent nær den magnetiske ekvator. De magnetiske feltlinjene peker vekk fra Jupiter over sjiktet og mot Jupiter under sjiktet. Påfyllet av plasma fra Io utvider størrelsen på den jovianske magnetosfæren fordi magnetodisken skaper et ekstra indre trykk som balanserer trykket fra solvinden. I fraværet av Io ville ikke avstanden mellom planeten og magnetopausen ved det subsolare punktet være mer enn 42 Rⱼ, mens den faktisk er 75 Rⱼ.
Konfiguarsjonen av magnetodisken sitt felt blir vedlikehold av asimutal ringstrøm (ikke en analog til jordens ringstrøm) som går med rotasjonen gjennom det ekvatoriale plasmasjiktet. Som et resultat av vekselvirkningen mellom denne strømmen og plantenes magnetfelt skaper Lorentz-kraften en sentripetalkraft som hindrer den med-roterende plasmaen fra å forlate planeten. Den totale ringstrømmen i det ekvatoriale strømingssjiktet er anslått å være 90–160 millioner ampere.

Med-rotasjon og radialstrømmer

Hoveddrivkraften for Jupiters magnetosfære er planetens rotasjon. I denne forbindelse er Jupiter lik en innretning som kalles unipolar generator. Når Jupiter roterer beveger ionosfæren seg relativ til dipole magnetfeltet til planeten. Siden det dipole magnetiske momentet peker i reting av rotasjonen, fører Lorentz-kraften, som oppstår som et resultat av denne bevegelsen, negativt ladede elektroner mot polene mens posistivt ladede ioner blir sendt mot ekvator. Som et resultat bli polene negativt ladede og regionene nærmere ekvator blir positivt ladet. Siden Jupiters magnetosfære er fylt med høyt konduktiv plasma er den elektriske kretsen lukket gjennom den. En strøm kalt likestrømmen strømmer langs de magnetiske feltlinjene fra ionosfæren til det ekvatoriale plasmasjiktet. Denne strømmen går deretter radielt vekk fra planeten i det ekvatoriale plasmasjiktet og til slutt tilbake til den planetariske ionosfæren fra de ytre delene av mangetosfæren langs feltlinjene som er koblet til polene. Strømmen som går langs magnetfeltlinjene kalles generelt feltjusterte eller Birkelandstrømmer. Radialstrømmen vekselvirker med det planetariske magnetfeltet og den resulterende Lorentz-kraften akselererer plasmaen i magnetosfæren i retning av planetens rotasjon. Dette er hovedmekanismen som opprettholder plasmaens med-rotasjon i Jupiters magnetosfære.
Strømmene som går fra ionosfæren til plasmasjiktet er spesielt sterk når den tilsvarende delen av plasmasjiktet roterer saktere enn planeten. Som nevnt over brytes med-rotasjonen ned i regionen mellom 20–40 Rⱼ fra Jupiter. Denne regionen tilsvarer magnetoskiven hvor magnetfeltet er svært strukket. Den sterke strømmen som går inn i magnetodisken stammer fra et svært begrenset breddegradsområde på ca. 16 ± 1° fra de jovianske polene. Disse smale, sirkulære regionene tilsvarer Jupiters største auroraovaler (se nedenfor). Returstrømmen som går fra den ytre magnetosfæren utenfor 50 Rⱼ går inn i den jovianske ionosfæren nær polene og lukker den elektriske sirkelen. Dent totale radialstrømmen i den jovianske magnetosfæren er estimert til å være 60–140 millioner ampere.
Akselerasjonen av plasmaen inn i med-rotasjonen fører til overføringen av energi fra den jovianske rotasjonen til den kinetiske energien til plasmaen. I den forstand er den jovianske magnetosfæren drevet av planetens rotasjon, mens i jordens tilfelle er den drevet av solvinden.

Venkslende ustabilitet og omkobling

Hovedproblemet med å forstå dynamikken i den jovianske magnetosfæren er transporten av tyngre, kald plasma fra Io-torusen ved 6 Rⱼ til den ytre magnetsofæren ved avstander på mer enn 50 Rⱼ. Den eksakte mekanismen i denne prosessen er ikke kjent, men hypoteser antyder at den oppstår som et resultat av plasmaspredning på grunn av vekslende ustabilitet, og denne prosessen er lignende Rayleigh-Taylor-instabiliteten i hydrodynamikken. I tilfellet med den jovianske magnetosfæren spiller sentrifugalkraften rollen som gravitasjon; den tunge flytende væsken er den kalde og tette joniske (det vil si knyttet til Io) plasmaen, og den lette væsken er den varme og mye mindre tette plasmaen fra den ytre magnetosfæren. Ustabiliteten fører til en utveksling av flukskanaler fylt med plasma mellom de ytre og indre delene av magnetosfæren. De flytende tomme flukskanalene beveger seg mot planeten samtidig som de dytter de tyngre kanalene fylt med jonisk plasma bort fra Jupiter. Denne utvekslingen av flukskanaler er en form for magnetisk turbulens.
Dette svært hypotetiske bildet av flukskanalendringene ble delvis bekreftet av Galileo-sonden som oppdaget regioner med markant redusert plasmatetthet og økende feltstyrke i den indre magnetosfæren. Disse tomrommene kan tilsvare de nesten tomme flukskanalene som kommer fra den ytre magnetosfæren. I den midterste magnetsofæren oppdaget Galileo såkalte injeksjonshendelser som oppstår når varm plasma fra den ytre magnetosfæren påvirker magnetodisken og fører til økende fluks av energipartikler og en styrket magnetfelt. Ingen mekanismer er kjent å forklare transporten av kald plasma utover.
Når flukskanaler fylte med kald jonisk plasma når den ytre magnetosfæren, gjennomgår de en omkoblingsprosess som separerer magnetfeltet fra plasmaen. De førstnevnte går tilbake til den indre magnetosfæren i form av flukskanaler fylte med varm og mindre tett plasma, mens de sistnevnte sannynligvis blir kastet nedover magnetohalen i form av plasmoider – store klatter av plasma. Omkoblingsprosessen kan tilsvare den globale rekonfigureringen som også ble observert av Galileo-sonden og som oppstod regelmessig hver 2.–3. dag. Rekonfigurasjonen inkluderte vanligvis raske og kaotiske variasjoner av magnetfeltets styrke og retning så vel som brå endringer i plasmaens bevegelse som ofte stoppet med-rotasjonen og begynte å strømme utover. Disse ble hovedsakelig observert i daggrysiden av magnetosfæren på nattehimmelen. Plasmaen som strømmer ned halen langs de åpne feltlinjene kalles den planetariske vinden.
Omkoblingene er analoger til magnetiske substormer i jordens magnetsofære. Forskjellen synes å være de respektive energikildene; terrestriske substormer involverer lagring av solvindens energi i magnetohalen etterfulgt av frigjøring gjennom en omkobling i halens nøytrale strømningssjikt. Sistnevnte skaper også en plasmoide som beveger seg ned halen. I Jupiters magnetosfære er det motsatt; rotasjonsenergien lagres i magnetodisken og frigjøres når plasmoiden skiller seg fra den.

Påvirkning av solvinden

Mens dynamikken i den jovianske magnetosfæren hovedsakelig avhenger av indre energikilder spiller solvinden sannsynligvis en rolle også, spesielt som en kilde for høyenergetiske protoner. Strukturen i den ytre magnetosfæren viser noen av funksjonene i en solvind-drevet magnetosfære, inkludert en betydelig daggry-skumring-asymmetri. Spesielt magnetfeltlinjene i skumringssektoren bøyes i motsatt retning av de i daggrysektoren. I tillegg inneholder magnetosfæren i skumringssektoren åpne feltlinjer som forbindes til magnetohalen, mens i magnetosfæren i daggrysektoren er feltlinjene lukket. Alle disse observasjonene indikerer at en solvind-drevet omkoblingsprosess, kjent på jorden som Dungey-syklusen, også kan finne sted i den jovianske magnetsofæren.
Omfanget av solvindens påvirkning på dynamikken i Jupiters magnetosfære er foreløpig ukjent; den kan imidlertid være spesielt sterkt i tider ved forhøyet solaktivitet. Mengden polarlys, utslipp av optisk og røntgenstråling, så vel som synkrotrone utslipp fra strålingsbeltene viser alle korrelasjoner med trykk fra solvinden, noe som indikerer at solvinden kan drive plasmasirkulasjonen eller modulere indre prosesser i magnetosfæren.