المجال المغناطيسي

في علم الفلك وعلم الكواكب ، الغلاف المغناطيسي هو منطقة من الفضاء تحيط بجسم فلكي تتأثر فيها الجسيمات المشحونة بالمجال المغناطيسي لذلك الجسم . ^{[1] [2]} يتم إنشاؤه بواسطة جسم سماوي به دينامو داخلي نشط .

في البيئة الفضائية القريبة من جسم كوكبي ذي مجال مغناطيسي ثنائي القطب مثل الأرض، تشبه خطوط المجال ثنائي القطب المغناطيسي البسيط . أبعد من ذلك، يمكن تشويه خطوط المجال بشكل كبير بسبب تدفق البلازما الموصلة للكهرباء ، كما ينبعث من الشمس (أي الرياح الشمسية ) أو نجم قريب. ^{[3] [4]} الكواكب التي تحتوي على غلاف مغناطيسي نشط، مثل الأرض، قادرة على تخفيف أو منع تأثيرات الإشعاع الشمسي أو الإشعاع الكوني ؛ في حالة الأرض، يحمي هذا الكائنات الحية من الأذى. تتم دراسة تفاعلات الجسيمات والغلاف الجوي مع الغلاف المغناطيسي في إطار الموضوعات العلمية المتخصصة في فيزياء البلازما وفيزياء الفضاء وعلم الطيران .

بدأت دراسة المجال المغناطيسي للأرض في عام 1600، عندما اكتشف ويليام جيلبرت أن المجال المغناطيسي على سطح الأرض يشبه المجال المغناطيسي للكرة المغناطيسية الصغيرة. في أربعينيات القرن العشرين، اقترح والتر م. إلساسر نموذج نظرية الدينامو ، التي تعزو المجال المغناطيسي للأرض إلى حركة اللب الخارجي الحديدي للأرض . من خلال استخدام أجهزة قياس المغناطيسية ، تمكن العلماء من دراسة الاختلافات في المجال المغناطيسي للأرض كوظائف لكل من الوقت وخط العرض وخط الطول.

بدءًا من أواخر الأربعينيات من القرن العشرين، استُخدمت الصواريخ لدراسة الأشعة الكونية . في عام 1958، أُطلقت إكسبلورر 1 ، وهي الأولى من سلسلة إكسبلورر من البعثات الفضائية، لدراسة شدة الأشعة الكونية فوق الغلاف الجوي وقياس التقلبات في هذا النشاط. لاحظت هذه المهمة وجود حزام إشعاع فان ألين (الموجود في المنطقة الداخلية من الغلاف المغناطيسي للأرض)، مع إثبات إكسبلورر 3 المتابعة في وقت لاحق من ذلك العام وجوده بشكل قاطع. خلال عام 1958 أيضًا، اقترح يوجين باركر فكرة الرياح الشمسية ، مع اقتراح مصطلح "الغلاف المغناطيسي" من قبل توماس جولد في عام 1959 لشرح كيفية تفاعل الرياح الشمسية مع المجال المغناطيسي للأرض. مهمة إكسبلورر 12 اللاحقة في عام 1961 بقيادة ملاحظة كاهيل وأمازين في عام 1963 لانخفاض مفاجئ في قوة المجال المغناطيسي بالقرب من خط الزوال في وقت الظهيرة، والتي سُميت لاحقًا بالمغناطيسية . بحلول عام 1983، لاحظ مستكشف المذنبات الدولي الذيل المغناطيسي، أو المجال المغناطيسي البعيد. ^[4]

تعتمد المجالات المغناطيسية على عدة متغيرات: نوع الجسم الفلكي، وطبيعة مصادر البلازما والزخم، وفترة دوران الجسم، وطبيعة المحور الذي يدور حوله الجسم، ومحور ثنائي القطب المغناطيسي، وحجم واتجاه تدفق الرياح الشمسية .

المسافة الكوكبية التي يمكن للغلاف المغناطيسي أن يتحمل فيها ضغط الرياح الشمسية تسمى مسافة تشابمان-فيرارو. ويمكن تمثيل ذلك بشكل مفيد بالصيغة حيث يمثل نصف قطر الكوكب، ويمثل المجال المغناطيسي على سطح الكوكب عند خط الاستواء، ويمثل سرعة الرياح الشمسية: ${\displaystyle R_{\rm {P}}}$${\displaystyle B_{\rm {تصفح}}}$${\displaystyle V_{\rm {SW}}}$

${\displaystyle R_{\rm {CF}}=R_{\rm {P}}\left({\frac {B_{\rm {surf}}^{2}}{\mu _{0}\rho V_{\rm {SW}}^{2}}}\right)^{\frac {1}{6}}}$

يتم تصنيف الغلاف المغناطيسي على أنه "جوهري" عندما ، أو عندما يكون المعارضة الأساسية لتدفق الرياح الشمسية هي المجال المغناطيسي للجسم. على سبيل المثال، يُظهر عطارد والأرض والمشتري وجانيميد وزحل وأورانوس ونبتون أغلفة مغناطيسية جوهرية. يتم تصنيف الغلاف المغناطيسي على أنه "مستحث" عندما ، أو عندما لا يعارض المجال المغناطيسي للجسم الرياح الشمسية. في هذه الحالة، تتفاعل الرياح الشمسية مع الغلاف الجوي أو الأيونوسفير للكوكب (أو سطح الكوكب، إذا لم يكن للكوكب غلاف جوي). يحتوي كوكب الزهرة على مجال مغناطيسي مستحث، مما يعني أنه نظرًا لأن كوكب الزهرة يبدو أنه ليس له تأثير دينامو داخلي ، فإن المجال المغناطيسي الوحيد الموجود هو المجال المتشكل من التفاف الرياح الشمسية حول العائق المادي للزهرة (انظر أيضًا المجال المغناطيسي المستحث للزهرة ). عندما ، يساهم الكوكب نفسه ومجاله المغناطيسي. من المحتمل أن يكون المريخ من هذا النوع. ^[5]${\displaystyle R_{\rm {CF}}\gg R_{\rm {P}}}$${\displaystyle R_{\rm {CF}}\ll R_{\rm {P}}}$${\displaystyle R_{\rm {CF}}\approx R_{\rm {P}}}$

تشكل صدمة القوس الطبقة الخارجية للغلاف المغناطيسي؛ الحد الفاصل بين الغلاف المغناطيسي والوسط المحيط. بالنسبة للنجوم، عادة ما تكون هذه هي الحد الفاصل بين الرياح النجمية والوسط بين النجوم ؛ بالنسبة للكواكب، تقل سرعة الرياح الشمسية هناك كلما اقتربت من الغلاف المغناطيسي. ^[6] بسبب التفاعلات مع صدمة القوس، تكتسب بلازما الرياح النجمية تباينًا كبيرًا ، مما يؤدي إلى عدم استقرار البلازما المختلفة أعلى وأسفل صدمة القوس. ^[7]

الغلاف المغناطيسي هو المنطقة من الغلاف المغناطيسي الواقعة بين صدمة القوس والغطاء المغناطيسي. ويتكون بشكل أساسي من الرياح الشمسية المهتزة، على الرغم من أنه يحتوي على كمية صغيرة من البلازما من الغلاف المغناطيسي. ^[8] إنها منطقة تتميز بتدفق طاقة جسيمية عالية ، حيث يتغير اتجاه وحجم المجال المغناطيسي بشكل غير منتظم. يحدث هذا بسبب تجمع غاز الرياح الشمسية الذي خضع للتسخين الحراري بشكل فعال . إنه يعمل كوسادة تنقل الضغط من تدفق الرياح الشمسية وحاجز المجال المغناطيسي من الجسم. ^[4]

إن المجال المغناطيسي هو المنطقة من الغلاف المغناطيسي التي يتوازن فيها الضغط من المجال المغناطيسي الكوكبي مع الضغط من الرياح الشمسية. ^[3] إنه تقارب الرياح الشمسية المهتزة من الغلاف المغناطيسي مع المجال المغناطيسي للجسم والبلازما من الغلاف المغناطيسي. ولأن كلا جانبي هذا التقارب يحتويان على بلازما ممغنطة، فإن التفاعلات بينهما معقدة. يعتمد هيكل المجال المغناطيسي على رقم ماخ وبيتا للبلازما ، وكذلك المجال المغناطيسي. ^[9] يتغير حجم وشكل المجال المغناطيسي مع تقلب الضغط من الرياح الشمسية. ^[10]

مقابل المجال المغناطيسي المضغوط يوجد الذيل المغناطيسي، حيث يمتد الغلاف المغناطيسي إلى ما هو أبعد من الجسم الفلكي. يحتوي على فصين، يشار إليهما باسم فصي الذيل الشمالي والجنوبي. تشير خطوط المجال المغناطيسي في فص الذيل الشمالي نحو الجسم بينما تشير تلك الموجودة في فص الذيل الجنوبي بعيدًا. فصي الذيل فارغان تقريبًا، مع وجود عدد قليل من الجسيمات المشحونة التي تعارض تدفق الرياح الشمسية. يتم فصل الفصين بواسطة ورقة البلازما، وهي منطقة يكون فيها المجال المغناطيسي أضعف، وتكون كثافة الجسيمات المشحونة أعلى. ^[11]

فوق خط استواء الأرض ، تصبح خطوط المجال المغناطيسي أفقية تقريبًا، ثم تعود للاتصال مرة أخرى عند خطوط العرض العالية. ومع ذلك، عند الارتفاعات العالية، يتشوه المجال المغناطيسي بشكل كبير بسبب الرياح الشمسية وحقلها المغناطيسي الشمسي. على الجانب النهاري من الأرض، يتم ضغط المجال المغناطيسي بشكل كبير بواسطة الرياح الشمسية لمسافة تقارب 65000 كيلومتر (40000 ميل). يبلغ سمك صدمة قوس الأرض حوالي 17 كيلومترًا (11 ميلًا) ^[12] وتقع على بعد حوالي 90000 كيلومتر (56000 ميل) من الأرض. ^[13] يوجد المجال المغناطيسي على مسافة عدة مئات من الكيلومترات فوق سطح الأرض. تمت مقارنة المجال المغناطيسي للأرض بالغربال لأنه يسمح لجزيئات الرياح الشمسية بالدخول. تحدث عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز عندما تنتقل دوامات كبيرة من البلازما على طول حافة الغلاف المغناطيسي بسرعة مختلفة عن الغلاف المغناطيسي، مما يتسبب في انزلاق البلازما. يؤدي هذا إلى إعادة الاتصال المغناطيسي ، ومع كسر خطوط المجال المغناطيسي وإعادة اتصالها، تتمكن جزيئات الرياح الشمسية من دخول الغلاف المغناطيسي. ^[14] على الجانب الليلي للأرض، يمتد المجال المغناطيسي في الذيل المغناطيسي، الذي يتجاوز طوله 6,300,000 كيلومتر (3,900,000 ميل). ^[3] الذيل المغناطيسي للأرض هو المصدر الأساسي للشفق القطبي . ^[11] كما اقترح علماء ناسا أن الذيل المغناطيسي للأرض قد يتسبب في "عواصف غبارية" على القمر من خلال خلق فرق محتمل بين الجانب النهاري والجانب الليلي. ^[15]

تولد العديد من الأجرام الفلكية الغلاف المغناطيسي وتحافظ عليه. في النظام الشمسي يشمل هذا الشمس وعطارد والأرض والمشتري وزحل وأورانوس ونبتون [ ^16] وجانيميد . الغلاف المغناطيسي للمشتري هو أكبر غلاف مغناطيسي كوكبي في النظام الشمسي، ويمتد حتى 7,000,000 كيلومتر (4,300,000 ميل) على الجانب النهاري ويكاد يصل إلى مدار زحل على الجانب الليلي. ^[17] الغلاف المغناطيسي للمشتري أقوى من الغلاف المغناطيسي للأرض بترتيب من حيث الحجم ، وعزمه المغناطيسي أكبر بحوالي 18,000 مرة. ^[18] من ناحية أخرى، ليس لدى الزهرة والمريخ وبلوتو مجال مغناطيسي. قد يكون لهذا تأثيرات كبيرة على تاريخهم الجيولوجي. من المفترض أن الزهرة والمريخ ربما فقدا مياههما البدائية بسبب التفكك الضوئي والرياح الشمسية. الغلاف المغناطيسي القوي يبطئ هذه العملية بشكل كبير . ^{[16] [19]}

يُعتقد أن المجالات المغناطيسية التي تولدها الكواكب الخارجية شائعة، على الرغم من أن الاكتشافات الأولى لم تأت حتى العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. في عام 2014، تم استنتاج وجود مجال مغناطيسي حول HD 209458 b من الطريقة التي يتبخر بها الهيدروجين من الكوكب. ^{[20] [21]} في عام 2019، تم تقدير قوة المجالات المغناطيسية السطحية لأربعة كواكب مشتري ساخنة وتراوحت بين 20 و120 جاوس مقارنة بالمجال المغناطيسي لسطح المشتري البالغ 4.3 جاوس. ^{[22] [23]} في عام 2020، تم اكتشاف انبعاث راديو في نطاق 14-30 ميجا هرتز من نظام تاو بوتيس ، ومن المحتمل أن يكون مرتبطًا بإشعاع السيكلوترون من أقطاب تاو بوتيس ب وهو بصمة مجال مغناطيسي كوكبي. ^{[24] [25]} في عام 2021، أصبح المجال المغناطيسي الناتج عن HAT-P-11b هو الأول الذي تم تأكيده. ^[26] تم العثور على أول اكتشاف غير مؤكد لحقل مغناطيسي تم إنشاؤه بواسطة كوكب خارجي أرضي في عام 2023 على YZ Ceti b . ^{[27] [28] [29] [30]}

• الفضاء الجغرافي
• البلازما (فيزياء)