Магнітосфе́ра Юпі́тера — порожнина, створена в сонячному вітрі планетарним магнітним полем Юпітера, де відбуваються різноманітні процеси взаємодії сонячного вітру, міжпланетного магнітного поля, власного магнітного поля Юпітера та навколішньої плазми. Вона простягається на понад 7 мільйонів кілометрів у напрямку до Сонця і майже до орбіти Сатурна у протилежному напрямку. Магнітосфера Юпітера є найбільшою і найпотужнішою серед усіх планетарних магнітосфер Сонячної системи, а за об'ємом є найбільшою неперервною структурою в Сонячній системі після геліосфери. Ширша та більш плоска, ніж магнітосфера Землі, юпітеріанська на кілька порядків величини потужніша, а її магнітний момент приблизно у 18 000 разів більший. Існування магнітосфери Юпітера було виявлено в ході радіоспостережень наприкінці 1950-х років, вперше безпосередньо спостерігалася кораблем «Піонер-10» 1973 року.
Внутрішнє магнітне поле Юпітера генерується електричним струмом, що тече у зовнішньому ядрі планети, яке складається з металічного водню. Вулканічні виверження на супутнику Юпітера Іо викидають велику кількість оксиду сірки в космос, формуючи великий газовий тор навколо планети. Сили магнітного поля Юпітера змушують тор обертатися з тією ж кутовою швидкістю і в тому ж напрямку що і планета. Тор поповнює магнітне поле планети плазмою, яка в процесі обертання розтягується в бліноподібну структуру, відому як магнітний диск. По суті, магнітосфера Юпітера формується плазмою Іо та її власним обертанням значно більшою мірою, ніж сонячним вітром, на відміну від земної. Потужні струми, що протікають в магнітосфері, є причиною стійких полярних сяйв навколо планетарних полюсів і помітних коливань у радіовипромінюванні, що означає, що Юпітер може у деяких відношеннях розглядатися як дуже слабкий радіопульсар. Полярні сяйва Юпітера спостерігалися майже у всіх частинах електромагнітного спектра, включаючи інфрачервону, видиму, ультрафіолетову та м'яку рентгенівську.
Дія магнітосфери захоплює у пастку та прискорює частинки, створюючи інтенсивні радіаційні пояси, подібні до земних поясів Ван Аллена, але у тисячі разів потужніші. Взаємодія енергетичних частинок із поверхнею найбільших супутників Юпітера помітно впливає на їхній хімічний склад і фізичні характеристики. Вплив цих частинок позначається і на руху пилу та кам'яних уламків всередині незначної кільцевої планетарної системи Юпітера. Радіаційні пояси є дуже небезпечними для космічних кораблів і потенційних пілотованих експедицій.
Структура Магнітосфера Юпітера — це складна структура, яка включає в себе головну ударну хвилю, магнітошар, магнітопаузу, хвіст магнітосфери, магнітодиск та інші компоненти. Магнітне поле навколо Юпітера створюється за рахунок цілого ряду явищ, наприклад за рахунок рідинної циркуляції в ядрі планети (внутрішнє поле), електричним струмом у плазмі, яка оточує Юпітер, і струмами, що течуть на межі планетарної магнітосфери. Магнітосфера занурена в плазму сонячного вітру, що несе з собою міжпланетне магнітне полеKhurana, 2004, pp. 12-13..
Внутрішнє магнітне поле Більша частина магнітного поля Юпітера, подібно до земного, генерується внутрішнім динамо, що підтримується циркуляцією електропровідної рідини в зовнішньому ядрі. Але в той час як земне ядро складається з розтопленого заліза й нікелю, ядро Юпітера складається з металічного воднюЦікаві факти про Юпітер. // Автор: Степан Садков. 13.06.2024. Подібно до земного, магнітне поле Юпітера є переважно диполем, з північним і південним магнітними полюсами на протилежних кінцях магнітної осі. Однак на Юпітері північний і південний магнітні полюси диполя лежать в однойменних півкулях планети, у той час як на Землі, навпаки, північний магнітний полюс диполя розташований у південній півкулі, а південний — у північній. Магнітне поле Юпітера містить і вищі мультипольні компоненти — квадрупольну, октупольну і т. д., але вони як мінімум на порядок слабші від дипольної компонентиKhurana, 2004, pp. 3-5.
Диполь нахилений приблизно на 10° відносно осі обертання Юпітера; цей нахил близький до земного (11,3°). Екваторіальна індукція магнітного поля становить близько 428 мкТл (, приблизно в 10 разів більше від земної), що відповідає магнітному моменту диполя близько (у 18 000 разів більше від земного)Russel, 1993, p. 694.. Магнітне поле Юпітера обертається з тією ж кутовою швидкістю, що й область під атмосферою, з періодом 9 год 55 хв. Ніяких помітних змін у потужності чи структурі не спостерігалося з моменту перших вимірювань «Піонера-10» в середині 1970-х.
Розмір і форма Внутрішнє магнітне поле Юпітера створює перешкоду на шляху сонячного вітру, потоку йонізованих частинок, що виходять з верхньої сонячної атмосфери, заважаючи потокам іонів досягати атмосфери Юпітера, відхиляючи їх від планети і створюючи своєрідну порожнину в сонячному вітрі, що називається магнітосферою, яка складається з плазми, що відрізняється від плазми сонячного вітруKhurana, 2004, pp. 1-3.. Магнітосфера Юпітера настільки велика, що якщо в ній розмістити Сонце навіть з його видимою короною, то там все одно залишиться достатньо просторуRussel, 1993, pp. 715—717.. Якщо б її можна було спостерігати з Землі, вона б займала на небі простір у п'ять з лишком разів більший повного місяця, незважаючи на те, що Юпітер розташовується більш ніж у 1700 разів далі від Місяця.
Як і у випадку з земною магнітосферою, межа, що відокремлює густішу й холоднішу плазму сонячного вітру від гарячішої та менш щільної в магнітосфері Юпітера, називається магнітопаузою. Відстань між магнітопаузою та центром планети становить від 45 до 100 (де радіус Юпітера) на — нефіксованій точці на поверхні планети, де Сонце буде перебувати безпосередньо над спостерігачем. Положення магнітопаузи залежить від тиску, що чинить сонячний вітер, який, в свою чергу, залежить від рівня сонячної активностіRussell, 2001, pp. 1015—1016.. Перед магнітопаузою (на відстані від 80 до 130 від центра планети) розташовується головна ударна хвиля, хвилеподібне збурення в сонячному вітрі, спричинене його зіткненням з магнітосфероюKrupp, 2004, pp. 15-16.Russel, 1993, pp. 725—727.. Область між магнітопаузою та головною ударною хвилею називається магнітним перехідним шаром, або магнітошаром.
За нічною стороною планети сонячний вітер витягує лінії магнітного поля Юпітера в довгий, витягнутий хвіст магнітосфери, який часом витягується навіть за орбіту Сатурна. За своєю структурою хвіст магнітосфери Юпітера нагадує земний. Він складений з двох «пелюсток» (області, відмічені блакитним на схемі). Магнітне поле у південній пелюстці направлене в бік Юпітера, а у північній — від нього. Пелюстки відокремлені тонким прошарком плазми, що називається хвостовим струмовим шаром (витягнута оранжева зона на схемі)Khurana, 2004, pp. 17-18.. Як і земний, юпітеріанський магнітосферний хвіст є каналом, яким сонячна плазма потрапляє у внутрішні ділянки магнітосфери, де нагрівається та формує радіаційні пояси на відстані менш ніж від ЮпітераKhurana, 2004, pp. 6-7.
Форма магнітосфери Юпітера, описана вище, підтримується 1) нейтральним струмовим шаром (також відомим як магнітохвостовий струм), який тече в напрямку обертання Юпітера через хвостовий плазмовий шар, 2) потоками плазми всередині хвоста, що течуть проти обертання Юпітера на зовнішній межі хвоста магнітосфери, і 3) магнітопаузними струмами (або струмами Чапмана — Ферраро), які течуть проти обертання планети на денній стороні магнітопаузи. Ці струми створюють магнітне поле, яке обнуляє (компенсує) внутрішнє поле Юпітера за межами магнітосфери. Вони також активно взаємодіють із сонячним вітромKivelson, 2005, pp. 303—313..
Традиційно магнітосферу Юпітера поділяють на три частини: внутрішню, середню та зовнішню магнітосферу. Внутрішня лежить на відстані до 10 від центра планети. Магнітне поле всередині неї є переважно диполем, тому що внесок від струмів, що проходять через екваторіальний плазмовий шар, тут дуже незначний. В середній (між 10 і 40 ) та зовнішній (далі 40 ) магнітосфері магнітне поле відхиляється від дипольної структури та серйозно збурюється дією плазмового шару (див. нижче розділ Магнітний диск).
Роль Іо
Хоча в цілому магнітосфера Юпітера нагадує за формою земну, поблизу від планети їхні структури сильно відрізняються. Іо, вулканічно активний супутник Юпітера, є потужним джерелом плазми та щосекунди поповняє магнітосферу Юпітера ~1000 кг нової речовиниKhurana, 2004, pp. 5-7.. Сильні вулканічні виверження на Іо підіймають у відкритий космос сірчистий газ, більша частина якого дисоціює на атоми та іонізується сонячною ультрафіолетовою радіацією. В результаті утворюються іони сірки та кисню: S+, O+, S2+ і O2+Krupp, 2004, pp. 3-4.. Ці йони залишають атмосферу супутника, формуючи плазмовий тор Іо: масивне та відносно холодне кільце з плазми, яке оточує Юпітер вздовж орбіти супутника. Температура плазми всередині тора досягає 10—100 еВ (100 000—1 000 000 К), що набагато нижче, ніж енергія частинок у радіаційних поясах — 10 кеВ (100 млн К). «Вморожене» у плазму всередині тора магнітне поле Юпітера спричиняє її обертання з тим же періодом, що і сам Юпітер (таке синхронне обертання називається коротацією). Тор Іо сильно впливає на динаміку всієї магнітосфери ЮпітераKrupp, 2004, pp. 1-3..
В результаті кількох процесів, серед яких головну роль відіграють дифузія та обмінна нестійкість, плазма повільно залишає околи планетиKrupp, 2004, pp. 4-7.. Коли плазма віддаляється від Юпітера, радіальні струми, що протікають крізь неї, поступово збільшують свою швидкість, підтримуючи коротацію. Ці радіальні струми також є джерелом азимутальної компоненти магнітного поля, яка в результаті прогинається назад відносно напрямку обертанняKhurana, 2004, pp. 13–16. Концентрація частинок у плазмі зменшується з 2000 см−3 в торі Іо до близько на відстані 35 Khurana, 2004, pp. 10-12.. В середній магнітосфері, на відстані понад 20 від Юпітера, коротація поступово припиняється, і плазма обертається повільніше, ніж планета. Нарешті, на відстані понад 40 (у зовнішній магнітосфері) плазма остаточно залишає магнітне поле та виходить у міжпланетний простір через хвіст магнітосфериRussell, 2001, pp. 1024—1025.. Рухаючись назовні, холодна та щільна плазма міняється місцями з гарячою розрідженою плазмою (з температурою 20 кеВ (200 млн K) чи вище), що рухається з зовнішньої магнітосфери. Ця плазма, наближаючись до Юпітера та стискаючись, адіабатично нагріваєтьсяKhurana, 2004, pp. 20-21., формуючи радіаційні пояси у внутрішній магнітосфері.
Магнітний диск На відміну від магнітного поля Землі, що має приблизно краплеподібну форму, поле Юпітера більш сплющене, більше нагадує диск і періодично гойдається відносно осі. Головною причиною такої дископодібної конфігурації є відцентрова сила, спричинена коротацією плазми та магнітного поля, а також тепловим тиском гарячої плазми. Обидва явища призводять до розтягування ліній магнітного поля, формуючи на відстані понад 20 від планети сплющену, бліноподібну структуру, відому як «магнітний диск»Russell, 2001, pp. 1021—1024.. У середній площині, приблизно поблизу магнітного екватора, цей диск містить тонкий струмовий шар. Лінії магнітного поля направлені від Юпітера над цим шаром і до Юпітера — під ним. Плазма, що надходить від Іо, значно збільшує розміри магнітосфери Юпітера, оскільки магнітний диск створює додатковий внутрішній тиск, який врівноважує тиск сонячного вітру. Відстань від планети до магнітопаузи у «підсонячній точці», яка дорівнює в середньому 75 , за відсутності Іо зменшилася б до 43 .
Динаміка Ротація та радіальні струми