Магнитные щиты планет. О разнообразии источников магнитосфер в солнечной системе
6 из 8 планет солнечной системы обладают собственными источниками магнитных полей, способные отклонять потоки заряженных частиц солнечного ветра. Объем пространства вокруг планеты, в пределах которого отклоняется от траектории солнечный ветер, именуется магнитосферой планеты. Несмотря на общность физических принципов генерирования магнитного поля, источники магнетизма, в свою очередь, сильно варьируются у разных групп планет нашей звездной системы.
Изучение разнообразия магнитных полей интересно тем, что наличие магнитосферы, предположительно, является важным условием для возникновения жизни на планете или ее естественном спутнике.
Железом и камнем
У планет земной группы сильные магнитные поля являются скорее исключением, чем правилом. Наиболее мощной магнитосферой в данной группе обладает наша планета. Твердое ядро Земли предположительно состоит из железоникелевого сплава, разогретого радиоактивным распадом тяжелых элементов. Эта энергия передается путем конвекции в жидком внешнем ядре в силикатную мантию (подробнее). Тепловые конвективные процессы в металлическом внешнем ядре до недавнего времени считались главным источником геомагнитного динамо. Однако исследования последних лет опровергают данную гипотезу.
Взаимодействие магнитосферы планеты (в данном случае Земли) с солнечным ветром. Потоки солнечного ветра деформируют магнитосферы планет, которые имеют вид сильно вытянутого магнитного «хвоста» направленного в противоположном от Солнца направлении. Магнитный «хвост» Юпитера тянется на более чем 600 млн км.
Предположительно источником магнетизма за время существования нашей планеты могло быть сложное сочетание различных механизмов генерирования магнитного поля: первичная инициализация поля от древнего столкновения с планетоидом; не тепловая конвекция различных фаз железа и никеля во внешнем ядре; выделения оксида магния из охлаждающегося внешнего ядра; приливное влияние Луны и Солнца и т.д.
Недра «сестры» Земли — Венеры практически не генерируют магнитного поля. Ученые до сих пор ведут споры о причинах отсутствия динамо эффекта. Одни обвиняют в этом медленное суточное вращение планеты, другие же возражают, что и этого должно было хватить для генерирования магнитного поля. Скорее всего, дело во внутренней структуре планеты, отличной от земной (подробнее).
Стоит оговориться, что Венера обладает так называемой индуцированной магнитосферой, создаваемой взаимодействием солнечного ветра и ионосферы планеты
Наиболее близок (если не сказать, идентичен) к Земле по длительности звездных суток Марс. Планета вращается вокруг своей оси за 24 часа, так же как и два вышеописанных «коллеги» гиганта состоит из силикатов и на четверть из железоникелевого ядра. Однако Марс на порядок легче Земли, и, по мнению ученых, его ядро остыло относительно быстро, поэтому планета не имеет динамо генератора.
Внутреннее строение железосиликатных планет земной группы
Парадоксально, но второй планетой в земной группе, которая может «похвастаться» собственной магнитосферой является Меркурий — наименьшая и самая легкая из всех четырех планет. Его близость к Солнцу предопределила специфические условия, при которых сформировалась планета. Так в отличие от остальных планет группы, у Меркурия чрезвычайно высокая относительная доля железа к массе всей планеты — в среднем 70%. Его орбита имеет наиболее сильный эксцентриситет (отношение ближайшей от Солнца точки орбиты, к наиболее удаленной) среди всех планет солнечной системы. Данный факт, а так же близость Меркурия к Солнцу усиливают приливное влияние на железное ядро планеты.
Схема магнитосферы Меркурия с наложенным графиком магнитной индукции
Научные данные, полученные космическими аппаратами, позволяют предположить, что магнитное поле генерируется движением металла в расплавленном приливными силами Солнца ядре Меркурия. Магнитный момент этого поля в 100 раз слабее Земного, а размеры сравнимы с размерами Земли, не в последнюю очередь из за сильного влияния солнечного ветра.
Магнитные поля Земли и планет гигантов. Красная линия — ось суточного вращения планет (2 — наклон полюсов магнитного поля к данной оси). Синяя линия — экватор планет (1 — наклон экватора к плоскости эклиптики). Магнитные поля представлены желтым цветом (3 — индукция магнитного поля, 4 — радиус магнитосфер в радиусах соответствующих планет)
Металлические гиганты
Планеты гиганты Юпитер и Сатурн обладают крупными ядрами из горных пород, массой в 3–10 земных, окруженные мощными газовыми оболочками, на которые, и приходиться подавляющая часть массы планет. Однако эти планеты обладают чрезвычайно крупными и мощными магнитосферами, и их существование нельзя объяснить лишь динамо-эффектом в каменных ядрах. Да и сомнительно, что при таком колоссальном давлении там вообще возможны явления, подобные тем, что происходят в ядре Земли.
Ключ к разгадке находится в самой водородно-гелиевой оболочке планет. Математические модели показывают, что в недрах этих планет водород из газообразного состояния постепенно переходит в состояние сверхтекучей и сверхпроводящей жидкости — металлический водород. Металлическим его называют из-за того, что при таких значениях давления водород проявляет свойство металлов.
Внутреннее строение Юпитера и Сатурна
Юпитер и Сатурн, как и свойственно планетам гигантам, сохранили в недрах большую тепловую энергию, накопившуюся в период формирования планет. Конвекция металлического водорода переносит эту энергию в газовую оболочку планет, определяя климатическую обстановку в атмосферах гигантов (Юпитер излучает в космос вдвое больше энергии, чем получает от Солнца). Конвекция в металлическом водороде в сочетании с быстрым суточным вращением Юпитера и Сатурна, предположительно и образуют мощные магнитосферы планет.
У магнитных полюсов Юпитера, как и на аналогичных полюсах остальных гигантов и Земли, солнечный ветер вызывает «полярные» сияния. В случае Юпитера, существенное влияние на его магнитное поле производят такие крупные спутники как Ганимед и Ио (виден след от потоков заряженных частиц, «текущих» с соответствующих спутников к магнитным полюсам планеты). Изучение магнитного поля Юпитера является основной задачей работающей на его орбите автоматической станции «Юнона». Понимание происхождения и структуры магнитосфер планет гигантов может обогатить наши знания о магнитном поле Земли
Ледяные генераторы
Ледяные гиганты Уран и Нептун так похожи друг на друга по размерам и массе, что их можно назвать второй парой близнецов в нашей системе, после Земли и Венеры. Их мощные магнитные поля занимают промежуточное положение между магнитными полями газовых гигантов и Земли. Однако и тут природа «решила» соригинальничать. Давление в железокаменных ядрах этих планет все еще слишком велико для динамо эффекта вроде земного, однако недостаточно для образования слоя металлического водорода. Ядро планеты окружено мощным слоем льда из смеси аммиака, метана и воды. Этот «лед» на самом деле представляет собой чрезвычайно нагретую жидкость, которая не вскипает исключительно из-за колоссального давления атмосфер планет.
Внутреннее строение Урана и Нептуна
Ось магнитного поля Урана, как и у Нептуна, сильно смещена относительно центра планеты. Справа сияние атмосферы у магнитных полюсов Урана (белое пятно) снятые телескопом Хаббла
Как и в случае с газовыми гигантами, тепло из недр планет передается конвективными процессами в атмосферу Нептуна и Урана. Математические модели показывают, что жидкость из метана, аммиака и воды обладает высокой электропроводимостью. На определенной глубине этой ледяной мантии, в тонкой прослойке, давление становиться благоприятным для того, что бы гидродинамический эффект от конвекции начал генерировать магнитные поля планет.
