الغلاف المغناطيسي

الغلاف المغناطيسي هو الحد الفاصل الحاد بين الغلاف المغناطيسي والبلازما المحيطة به . في علم الكواكب ، يُمثل الغلاف المغناطيسي الحد الفاصل بين المجال المغناطيسي للكوكب والرياح الشمسية . يتحدد موقع الغلاف المغناطيسي بتوازن ضغط المجال المغناطيسي الديناميكي للكوكب مع الضغط الديناميكي للرياح الشمسية. ومع ازدياد ضغط الرياح الشمسية وانخفاضه، يتحرك الغلاف المغناطيسي نحو الداخل والخارج استجابةً لذلك. وتتحرك الموجات (التموجات والحركة الارتعاشية) على طول الغلاف المغناطيسي في اتجاه تدفق الرياح الشمسية استجابةً للتغيرات الصغيرة في ضغط الرياح الشمسية ولعدم استقرار كلفن-هيلمهولتز .

الرياح الشمسية أسرع من الصوت، وتمر عبر موجة صدمية أمامية حيث يتغير اتجاه التدفق، مما يؤدي إلى انحراف معظم بلازما الرياح الشمسية إلى جانبي الغلاف المغناطيسي، تمامًا كما ينحرف الماء أمام مقدمة السفينة. تُعرف منطقة بلازما الرياح الشمسية المتأثرة بالصدمة بالغلاف المغناطيسي . عند الأرض وجميع الكواكب الأخرى ذات المجالات المغناطيسية الذاتية، ينجح جزء من بلازما الرياح الشمسية في الدخول إلى الغلاف المغناطيسي والانحصار داخله. عند الأرض، تُشكل بلازما الرياح الشمسية التي تدخل الغلاف المغناطيسي طبقة البلازما . يتم تنظيم كمية بلازما الرياح الشمسية والطاقة التي تدخل الغلاف المغناطيسي بواسطة اتجاه المجال المغناطيسي بين الكواكب ، الموجود في الرياح الشمسية.

للشمس والنجوم الأخرى ذات المجالات المغناطيسية والرياح النجمية غلاف مغناطيسي شمسي أو غلاف شمسي حيث تكون البيئة النجمية محصورة بالبيئة بين النجوم.

قبل عصر استكشاف الفضاء، كان يُعتقد أن الفضاء بين الكواكب فراغ. وقد شكّل تزامن أول رصد لتوهج شمسي مع العاصفة المغناطيسية الأرضية عام 1859 دليلاً على انبعاث بلازما من الشمس أثناء حدث التوهج. اقترح تشابمان وفيرارو ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} أن الشمس انبعثت منها بلازما في انفجار كجزء من حدث التوهج، مما أدى إلى اضطراب المجال المغناطيسي للكوكب بطريقة تُعرف بالعاصفة المغناطيسية الأرضية. يتميز معدل تصادم الجسيمات في البلازما في الوسط بين الكواكب بانخفاضه الشديد، بينما تتميز موصليته الكهربائية بارتفاعها الكبير لدرجة يمكن معها تقريبه إلى موصل لانهائي.

لا يمكن للمجال المغناطيسي في الفراغ اختراق حجم ذي موصلية لانهائية. وقد أوضح تشابمان وبارتلز (1940) ^{[ 1 ]} هذا المفهوم بافتراض وجود صفيحة ذات موصلية لانهائية موضوعة على الجانب النهاري لثنائي قطب كوكب، كما هو موضح في الرسم التخطيطي. تنحني خطوط المجال على الجانب النهاري. عند خطوط العرض المنخفضة، تُدفع خطوط المجال المغناطيسي إلى الداخل. أما عند خطوط العرض العالية، فتُدفع خطوط المجال المغناطيسي إلى الخلف وفوق المناطق القطبية. يُطلق على الحد الفاصل بين المنطقة التي يهيمن عليها المجال المغناطيسي للكوكب (أي الغلاف المغناطيسي ) والبلازما في الوسط بين الكواكب اسم الغلاف المغناطيسي. ويمكن الحصول على التكوين المكافئ لصفيحة مسطحة ذات موصلية لانهائية بوضع ثنائي قطب وهمي (السهم الأخضر على يسار الرسم التخطيطي) على مسافة تساوي ضعف المسافة بين ثنائي قطب الكوكب والغلاف المغناطيسي على طول خط الكوكب-الشمس. بما أن الرياح الشمسية تتدفق باستمرار نحو الخارج، فإن الغلاف المغناطيسي أعلى الكوكب وأسفله وعلى جانبيه يندفع للخلف نحو الذيل المغناطيسي الأرضي، كما هو موضح في التصميم الفني. المنطقة (الموضحة باللون الوردي في الرسم التخطيطي) التي تفصل خطوط المجال المغناطيسي القادمة من الكوكب، والتي تُدفع نحو الداخل، عن تلك التي تُدفع للخلف فوق القطبين، هي منطقة مجال مغناطيسي ضعيف أو ما يُعرف بمنطقة الحد الفاصل في الجانب النهاري. يمكن لجزيئات الرياح الشمسية أن تدخل الغلاف المغناطيسي للكوكب عبر هذه المنطقة. ولأن الرياح الشمسية موجودة في جميع الأوقات، وليس فقط في أوقات التوهجات الشمسية، فإن الغلاف المغناطيسي يُعد سمة دائمة للفضاء المحيط بأي كوكب ذي مجال مغناطيسي.

خطوط المجال المغناطيسي للكوكب ليست ثابتة، بل تتحد باستمرار مع خطوط المجال المغناطيسي بين الكواكب في عملية تُعرف بإعادة الاتصال المغناطيسي . تُجرف خطوط المجال المتصلة عائدةً فوق القطبين إلى الذيل المغناطيسي للكوكب. في هذا الذيل، تتحد خطوط المجال المغناطيسي للكوكب مجددًا وتبدأ بالتحرك نحو الجانب المظلم منه. وقد شرح دونجي (1961) فيزياء هذه العملية لأول مرة. ^{[ 6 ]} ولذلك، تُعرف هذه العملية الآن بدورة دونجي .

إذا افترضنا أن الغلاف المغناطيسي مجرد حد فاصل بين مجال مغناطيسي في الفراغ وبلازما ذات مجال مغناطيسي ضعيف، فإن الغلاف المغناطيسي سيُعرَّف باختراق الإلكترونات والأيونات نصف قطر دوران واحد داخل نطاق المجال المغناطيسي. ولأن حركة الدوران للإلكترونات والأيونات متعاكسة الاتجاه، يسري تيار كهربائي على طول هذا الحد. أما الغلاف المغناطيسي الحقيقي فهو أكثر تعقيدًا بكثير. ^{[ 7 ]}

إذا تم إهمال الضغط الناتج عن الجسيمات داخل الغلاف المغناطيسي، فمن الممكن تقدير المسافة إلى الجزء من الغلاف المغناطيسي المواجه للشمس . ويشترط لتحديد هذا الموقع أن يكون ضغط الصدمة الديناميكي الناتج عن الرياح الشمسية مساوياً للضغط المغناطيسي الناتج عن المجال المغناطيسي للأرض : ^{[ ملاحظة 1 ]}$${\displaystyle (\rho v^{2})_{sw}\approx \left({\frac {4B(r)^{2}}{2\mu _{0}}}\right)_{m}}$$ أين${\displaystyle \rho }$و ${\displaystyle v}$تمثل كثافة وسرعة الرياح الشمسية ، و B ( r ) هي قوة المجال المغناطيسي للكوكب بوحدات النظام الدولي ( B بوحدة T ، μ ₀ بوحدة H /m ) .

بما أن شدة المجال المغناطيسي ثنائي القطب تتغير مع المسافة كما${\displaystyle 1/r^{3}}$يمكن كتابة شدة المجال المغناطيسي على النحو التالي:${\displaystyle B(r)={\mu _{0}m \over 4\pi r^{3}}}$، أين${\displaystyle m}$هي العزم المغناطيسي للكوكب، معبراً عنه بـ${\displaystyle A\cdot m^{2}}$. $${\displaystyle \rho v^{2}\approx {\frac {\mu _{0}m^{2}}{8\pi ^{2}r^{6}}}.}$$ يؤدي حل هذه المعادلة لإيجاد قيمة r إلى تقدير المسافة $${\displaystyle r\approx {\sqrt[{6}]{\frac {\mu _{0}m^{2}}{8\pi ^{2}\rho v^{2}}}}}$$

تتغير المسافة من الأرض إلى الغلاف المغناطيسي تحت الشمسي بمرور الوقت بسبب النشاط الشمسي، لكن المسافات النموذجية تتراوح من 6 إلى 15 ضعف نصف قطر الأرض.${\displaystyle _{\oplus }}$يمكن للنماذج التجريبية ^{[ 8 ] [ 9 ]} التي تستخدم بيانات الرياح الشمسية في الوقت الفعلي أن توفر تقديرًا فوريًا لموقع الغلاف المغناطيسي. وتتشكل موجة صدمية أمام الغلاف المغناطيسي، تعمل على إبطاء تدفق الرياح الشمسية وتغيير مساره قبل وصوله إليه. ^{[ 10 ]}

نظرة عامة على الغلاف المغناطيسي للنظام الشمسي ^{[ 11 ]}

كوكب	رقم	العزم المغناطيسي [ ملاحظة 2 ]	مسافة الغلاف المغناطيسي [ ملاحظة 3 ]	الحجم المرصود للغلاف المغناطيسي [ ملاحظة 4 ]	تباين الغلاف المغناطيسي [ ملاحظة 5 ]
الزئبق	1	0.0004	1.5	1.4	0
الزهرة	2	0	0	0	0
أرض	3	1	10	10	2
المريخ	4	0	0	0	0
كوكب المشتري	5	20000	42	75	25
زحل	6	600	19	19	3
أورانوس	7	50	25	18	0
نبتون	8	25	24	24.5	1.5

غالباً ما تُجرى الأبحاث المتعلقة بالغلاف المغناطيسي باستخدام نظام الإحداثيات LMN (وهو مجموعة من المحاور مثل XYZ). يشير المحور N عمودياً على الغلاف المغناطيسي باتجاه الخارج نحو الغلاف المغناطيسي الخارجي، ويقع المحور L على طول إسقاط محور ثنائي القطب على الغلاف المغناطيسي (موجب باتجاه الشمال)، ويكمل المحور M الثلاثية بالإشارة إلى اتجاه الفجر. ^{[ 12 ]}

لا يمتلك كوكب الزهرة والمريخ مجالًا مغناطيسيًا ولا غلافًا مغناطيسيًا. تتفاعل الرياح الشمسية مع غلافهما الجوي ^{[ 13 ]} ، مما يُنشئ فراغًا خلف الكوكب. أما بالنسبة لقمر الأرض والأجرام الأخرى التي لا تمتلك مجالًا مغناطيسيًا أو غلافًا جويًا، فإن سطح الجرم يتفاعل مع الرياح الشمسية، مما يُنشئ فراغًا خلفه.

• هيليوبوز
• جيوباس
• صدمة القوس
• النظام الشمسي
• للاطلاع على تطبيقات دفع المركبات الفضائية ، انظر الشراع المغناطيسي

• الغلاف الجوي للكواكب .