En magnetosfære dannes, når en strøm af ladede partikler, som de findes i f.eks. solvinden, reagerer med og afbøjes af en planets eller et lignende legemes iboende magnetfelt. Jorden er omgivet af en magnetosfære, ligesom de andre planeter med iboende magnetfelter: Merkur, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Jupiters måne Ganymedes har en lille magnetosfære – men den ligger helt inden for Jupiters magnetosfære, hvilket fører til komplekse interaktioner. Ionosfærerne hos svagt magnetiserede planeter som Venus og Mars danner strømme, som delvis afbøjer solvinden, men har ikke egentlige magnetosfærer.
Betegnelsen magnetosfære er også blevet brugt til at beskrive regioner omkring andre himmellegemer, som er domineret af magnetfelter, f.eks. "pulsarers magnetosfærer".
thumb|360px|Artistisk gengivelse af en magnetosfære.
Magnetosfærefysikkens historie Jordens magnetosfære blev opdaget i 1958 af Explorer 1 i forbindelse med den forskning, der blev udført under det Internationale Geofysiske År. Før da vidste forskerne, at der fandtes elektriske strømninger i rummet, fordi soludbrud undertiden førte til "magnetiske storme", men ikke, hvor disse strømninger var lokaliseret og hvorfor, eller at solvinden eksisterede. I august og september 1958 blev Projekt Argus gennemført for at teste en teori om dannelsen of strålingsbælter, der kunne have taktisk betydning under krig.
I 1959 foreslog Thomas Gold navnet "magnetosfære". Han skrev:
Jordens magnetosfære
Jordens magnetosfære er et område i rummet, hvis form er bestemt af Jordens indre magnetfelt, plasmaet i solvinden og det interplanetariske magnetfelt (IMF). I magnetosfæren styres en blanding af ioner og elektroner fra både solvinden og Jordens ionosfære af elektromagnetiske kræfter, som er meget stærkere end tyngdekraften og kollisioner.
På trods af sit navn er magnetosfæren udpræget ikke-sfærisk. Alle magnetosfærer ved solsystemets planeter har en oval dråbeform på grund af solvinden.
På den side, som vender mod Solen, er afstanden til magnetosfærens grænse (som varierer med solvindens intensitet) omkring 70.000 km (10-12 jordradier eller RE, hvor 1 RE = 6.371 km. Medmindre andet er anført, er alle afstande her regnet fra Jordens centrum). Magnetosfærens grænse ("magnetopausen ") mod Solen er tilnærmelsesvis kugleformet og på natsiden ("magnetohalen" eller "geohalen") en tilnærmet cylinder med en radius på 20-25 RE. Haleregionen strækker sig et stykke ud over 200RE, og dens præcise afslutning er ikke kendt.
Jordens yderste neutrale gasomslutning eller geokorona består mest af de letteste atomer, brint og helium og fortsætter ud over 4-5 RE med faldende tæthed. De varme plasmaioner i magnetosfæren optager elektroner under sammenstød med disse atomer og skaber en svindende "glød" af energineutrale atomer, der er blevet brugt i - og TWINS-missionerne til at afbilde de varme plasmaskyer.
Ionosfærens udvidelse opad, kendt som plasmasfæren, strækker sig også ud over 4-5 RE med aftagende tæthed, hvor den bliver en strøm af lette ioner, som kaldes polarvinden, der undslipper magnetosfæren og indgår i solvinden. Energi, som overføres til ionosfæren ved polarlys, opvarmer stærkt tungere atmosfæriske komponenter som ilt og molekyler af ilt og kvælstof, som ellers ikke ville kunne undvige Jordens tyngdekraft. På grund af denne yderst variable opvarmning, sker der i perioder med forstyrrelser en betydelig atmosfærisk eller ionosfærisk udstrømning af plasma fra polarlyszonerne til magnetosfæren, hvilket nogle gange udvider den region, som er domineret af jordbaseret materiale, helt ud til magnetopausen.
Jordens magnetosfære giver en beskyttelse, uden hvilken livet, som vi kender det, ikke kunne overleve. Mars, der har ringe eller intet magnetfelt, menes at have mistet meget af sine tidligere have og sin atmosfære til rummet, delvis på grund af solvindens direkte påvirkning af dens overflade. Det meste af vandet i den tætte atmosfære på Venus menes at være forsvundet ved fordampning forårsaget af solvinden.
På grund af størrelsen af Jupiters magnetosfære er der mulighed for et meget svagt og meget kort periodisk hoved-hale-samspil mellem den og Jordens magnetosfære. Også de ydre gasplaneters magnetosfærer kan svagt interagere, selv om deres magnetosfærer er meget mindre end Jupiters.
Almindelige egenskaber thumb|250px|Plasmaets tæthed og temperatur i magnetosfæren og andre områder i rummet. Tætheden stiger opad, og temperaturen mod højre. De frie elektroner i et metal kan betragtes som værende en elektronplasma.Efter Peratt, A. L., "Advances in Numerical Modeling af Astrophysical and Space Plasmas" (1966) Astrophysics and Space Science, v. 242, Issue 1/2, p. 93-163. Der er to faktorer, som bestemmer magnetosfærens struktur og opførsel, nemlig Jordens indre magnetfelt og solvinden. Jordens indre magnetfelt (dens "hovedfelt") synes at blive dannet i Jordens kerne ved en dynamoproces, der er forbundet med cirkulation af flydende metal i kernen, drevet af varmekilder i dens indre. Dens største del ligner feltet omkring en stangmagnet ("dipolfelt "), som er drejet i en vinkel på ca. 10° i forhold til Jordens rotationsakse, men der findes også mere komplekse komponenter ("højere harmonier"), som det først blev påvist af Carl Friedrich Gauss. Dipolfeltet har en intensitet på ca. 30.000-60.000 nanotesla (NT) på jordoverfladen, og dets intensitet aftager med det omvendte af kvadratet på afstanden, så den i en afstand af R jordradier kun udgør 1/8 af overfladens felt i samme retning. Højere harmonier mindskes hurtigere, ligesom højere potenser af 1/R, hvilket gør dipolfeltet til den eneste betydende interne kilde i det meste af magnetosfæren. Solvinden er en hurtig udstrømning af varm plasma fra Solen og sker i alle retninger. Over Solens ækvator opnår den typisk en fart på 400 km/s, mens den over Solens poler kan opnå op til dobbelt så høj fart. Vinden drives af temperaturen i Solens korona på flere millioner grader, som der endnu ikke findes en generelt accepteret forklaring på. Vindens sammensætning ligner Solens, så omkring 95% af ionerne er protoner, omkring 4% heliumkerner og 1% tungere stof (som C, N, O, Ne, Si, Mg... op til Fe) og tilstrækkeligt med elektroner til at holde ladningen elektrisk neutral. I Jordens bane er dens typiske massefylde 6 ioner/cm3 (variabel, som det også gælder hastigheden), og den har et variabelt interplanetarisk magnetfelt (IMF) på (typisk) 2-5 nT. IMF frembringes af udstrakte magnetfeltlinjer med oprindelse på Solen.
Af fysiske årsager er det vanskeligt for solvindens plasma med sin indbyggede IMF at blande sig med den jordbaserede plasma, hvis magnetfelt har en anden kilde. De to plasmaer ender derfor med at være adskilt ved en grænse, magnetopausen, og Jordens plasma er sluttet inde i et hulrum i den strømmende solvind, som er magnetosfæren. Takket være sekundære processer som magnetisk tilbagekobling er adskillelsen ikke fuldstændig, da solvinden ellers vanskeligt ville kunne overføre energi til magnetosfære, men den samlede konfiguration er stadig bestemt af den.
En ekstra egenskab er en kollisions-fri chokfront, som dannes i solvinden foran Jorden, typisk 13,5 R E fra den side, der vender mod Solen. Den dannes, fordi solvindens hastighed overstiger Alfvén-bølgers hastighed (typisk med 2-3 gange). Alfvén-bølger er en karakteristisk bølgetype, hvormed forstyrrelser udbreder sig i en magnetiseret væske. I regionen bag chokket falder hastigheden kortvarigt til Alfvén-hastigheden (og temperaturen stiger ved at absorbere tabt kinetisk energi), men hastigheden stiger snart igen, da plasmaet trækkes frem af den omgivende solvindsstrøm.
Magnetosfæren kan anskues som magnetiske feltlinjer, der overalt peger i retning af magnetfeltet – dvs. divergerende udad nær den magnetisk nordpol (eller geografisk sydpol), og konvergerende igen omkring den magnetiske sydpol (eller den geografiske nordpol), hvor de kommer ind mod Jorden. De kan sammenlignes med ledninger, der dels binder magnetosfæren sammen, dels også fremfører indfangede partikler, som glider langs dem som perler på en snor (selvom andre bevægelser også kan forekomme).
Strålingsbælter Da de første videnskabelige satellitter blev opsendt i første halvdel af 1958 – Explorer 1 og Explorer 3 af USA, Sputnik 3 af Sovjetunionen – observerede de et intenst (og uventet) strålingsbælte omkring Jorden, som opretholdes af dens magnetfelt. "Min Gud, rummet er radioaktivt!" udbrød en af Van Allens kolleger, da betydningen af disse observationer gik op for ham. Det var det "indre strålingsbælte" af protoner med energier i området 10-100 MeV (megaelektronvolt), som senere er forklaret ved "albedo neutronhenfald," en sekundær effekt af samspillet mellem kosmisk stråling og den øverste del af atmosfæren. Den er centreret omkring feltlinjer, som krydser ækvator ca. 1,5RE fra Jordens centrum.
Senere er der observeret en gruppe indfangede ioner og elektroner på feltlinjer, der krydser ækvator på en afstand af 2,5-8 RE. Den højenergi-rige del af denne gruppe (ca. 1 MeV) blev kendt som det "ydre strålingsbælte", men hovedparten af gruppen har lavere energier (med en top omkring 65 keV) og kendes som cirkelstrøms-plasma.
Man har opdaget at antiprotoner findes i et bælte mellem det indre strålingsbælte og det ydre strålingsbælte.7 August 2011, BBC News: Antimatter belt around Earth discovered by Pamela craft Citat: "...the particles could also prove to be a novel fuel source for future spacecraft – an idea explored in a report for Nasa's Institute for Advanced Concepts..."
Indfangede ladede partikler i et magnetfelt kan udgøre en ganske stabil situation. Dette gælder især i det indre bælte, fordi tilgangen af fangede protoner fra albedo-neutroner sker ganske langsomt og kræver år for at nå den observerede intensitet. I juli 1962 afprøvede USA et termonukleart våben højt over det sydlige Stillehav, som detonerede omkring 400 km oppe i den øverste atmosfære for at skabe et kunstigt bælte af højenenergi-elektroner, og nogle af disse fandtes stadig 4-5 år senere (sådanne tests er nu forbudt ved traktat).
Det ydre bælte og ringstrømmene er mindre vedvarende, fordi kollisioner med atomer i geokoronaen med ladnings-udveksling har tendens til at fjerne partikler derfra. Det antyder, at der findes en effektiv mekanisme, som løbende forsyner denne region med nyt plasma. Det viser sig, at den magnetiske barriere kan nedbrydes af elektriske kræfter. Hvis plasma påvirkes stærkt nok, genereres der elektriske felter, som tillader det at bevæge sig som reaktion på påvirkningen, hvilket ofte (men ikke altid) deformerer magnetfeltet i processen.
Magnetiske haler thumb|right|Et billede fra IMAGE-satellitten, som viser Jordens plasmasfære ved brug af dens Extreme Ultraviolet-instrument (EUV). En magnetisk hale eller magnetohale dannes ved solvindens pres på en planets magnetosfære. Magnetohalen kan strække sig i stor afstand fra sin oprindelsesplanet. Jordens magnetiske hale strækker sig mindst 200 jordradier i retningen modsat Solen, og altså langt ud over Månens bane på omkring 60 jordradier, mens Jupiters magnetiske hale strækker sig ud over Saturns bane. Undertiden er Saturn derfor helt indesluttet i Jupiters magnetosfære.
Den udvidede magnetohale kommer fra energi, som er oplagret i planetens magnetfelt. Til tider frigøres denne energi, og magnetfeltet bliver midlertidigt mere dipol-lignende. Derved tilføres den oplagrede energi til den plasma, som er fanget på de involverede magnetfeltlinjer. Noget af denne plasma drives i halens retning og ind i den fjerne solvind. Resten tilføres den indre magnetosfære, hvor dem fremkalder polarlys og forøger mængden af cirkelstrømsplasma. Den deraf følgende energirige plasma og elektriske strøm kan forstyrre rumfartøjers drift og påvirke kommunikation og navigation.
Elektriske strømme i rummet