Магнітне поле планет
Магнітне поле планет здебільшого утворюється завдяки магнітогідродинамічному динамо — явищу утворення самопідсилюваного магнітного поля завдяки конвективним потокам в електропровідному рідкому ядрі планети. Найсильніші магнітні поля у Сонячній системі мають планети-гіганти і Земля, причому Уран і Нептун мають не дипольне, а квадрупольне магнітне поле. Венера, попри подібність до Землі, не має істотного магнітного поля, що, ймовірно, пов'язано з відсутністю конвекції у її ядрі. Магнітне поле Меркурія подібне за структурою й механізмом утворення до земного, але набагато слабше. Марс і Місяць не мають глобального магнітного поля, але мають залишкову намагніченість гірських порід в окремих регіонах, що може свідчити про наявність магнітного поля на ранніх стадіях їх еволюції. З усіх супутників Сонячної системи власне магнітне поле має тільки Ганімед, втім деякі інші супутники планет-гігантів мають слабше магнітне поле, індуковане рухом через магнітосферу планети.
Теорію магнітного динамо запропонував 1919 року Джозеф Лармор для пояснення магнетизму сонячних плям[1]. Подальші теоретичні основи планетного магнетизму розробили Вальтер Елзассер[en] у 1939 році[2] та Едвард Баллард[en] у 1949[3].
Магнітне поле тіл Сонячної системи вивчають як експериментально за допомогою космічних апаратів, так і теоретично шляхом моделювання. Останнє вимагає розв'язання системи нелінійних рівнянь у частинних похідних (рівняння Навье-Стокса, рівняння магнітної індукції та інших), які включають параметри, значення яких умовах ядер планет виключно малі. Так, число Екмана, що виражає відношення величин в'язкості і сили Коріоліса, становить близько 10−15, а магнітне число Прандтля, що відповідає за відношення в'язкості до сили Лоренца — 10−6. Ці значення поки що недосяжні як у чисельному моделюванні, так і в експериментах щодо відтворення магнітного динамо в лабораторних умовах. Тим не менш, модельні експерименти все ще корисні для розуміння загального механізму утворення магнітних полів[4].
Магнітне поле Землі найкраще досліджене з-поміж усіх планет. Воно утворюється завдяки конвекції в залізо-нікелевому зовнішньому ядрі Землі, має приблизно дипольний характер, а магнітний момент нахилений приблизно під кутом 11,5° до осі обертання Землі. З часом нахил магнітного моменту змінюється, а раз на кілько сотень тисяч років відбувається геомагнітна інверсія — переміна магнітних полюсів.
Венера й Земля близькі за розмірами, середньою густиною й навіть за внутрішньою будовою, проте Земля має досить сильне магнітне поле, а Венера — не має. За однією з сучасних теорій напруженість дипольного магнітного поля залежить від прецесії полярної осі і кутової швидкості обертання. Саме ці параметри на Венері мізерно малі, але вимірювання все одно вказують на ще нижчу напруженість магнітного поля, ніж передбачає теорія. Сучасні припущення з приводу слабкого магнітного поля Венери полягають у тому, що в імовірно залізному ядрі Венери відсутні конвективні потоки[5]. Це, в свою чергу, може пояснюватися відсутністю тектоніки плит, причина чого також поки не зрозуміла. Можливо, це пов'язано з відсутністю води, яка грає роль своєрідного мастила для літосферних плит[6]. Також можливо, що внаслідок високої температури кора не твердне, і через це або не можуть сформуватися плити, подібні до земних, або стає більш активним вулканізм, через що не вистачає енергії для конвективного руху потоків в ядрі[7].
Меркурій має досить велике[8] рідке ядро, і в ньому магнітне поле генерується за тим самим механізмом, що і в Землі, хоча воно ї є набагато слабшим[9]. Великий ексцентриситет орбіти та близькість до Сонця створюють значний приливний нагрів та циркуляцію у великому ядрі планети.
Сильний залишковий магнетизм Марса, відкритий станцією Mars Global Surveyor, свідчить про магнітне динамо, що колись працювало, але затухло приблизно за 350 млн років після формування планети, ймовірно, внаслідок затвердіння ядра[4][10][11].
Як і у випадку Марса, ядро Місяця повністю затверділо[10], але в його корі виявлено сліди залишкового магнетизму. Це може також говорити про колишню роботу магнітного динамо, але також можливо, що це наслідки метеоритних ударів[4][12].
Ганімед — єдиний супутник Сонячної системи, усередині якого активно працює магнітне динамо, як у Землі та Меркурії, внаслідок конвективних потоків у рідкому провідному ядрі. Ймовірно, ядро залишилося рідким завдяки приливному розігріву через орбітальний резонанс і гравітацію Юпітера[13]. Вісь магнітного диполя Ганімеда спрямована проти магнітного моменту Юпітера. Крім того, Ганімед має і індуковане поле, викликане його рухом у сильному магнітному полі Юпітера[14][15].
Жоден з інших великих супутників Сонячної системи не має сильного магнітного поля, створеного внутрішніми джерелами. На внутрішніх супутниках Юпітера спостерігається лише індуковане поле[4].
Планети-гіганти не мають залізних ядер, проте в ядрах Юпітера та Сатурна знаходиться металічний водень. Швидке обертання цих ядер призводить до запуску динамо, що створює сильне магнітне поле. Вісь його диполя у Юпітера, як і в Землі, нахилена приблизно на 10° до осі обертання планети[16], а у Сатурна практично збігається з віссю обертання[10][17].
Магнітні поля Урана і Нептуна, на відміну від решти планет Сонячної системи, є не дипольними, а квадрупольними, тобто вони мають по 2 північні і 2 південні полюси[17][18][19]. Загалом природа їх полів остаточно не зрозуміла[10]. Можливо, вони утворюються на відносно малих глибинах, наприклад, в океані рідкого аміаку[20].
- ↑ Larmor, J. How could a rotating body such as the Sun become a magnet // Reports of the British Association. — 1919. — Т. 87 (25 січня). — С. 159—160.
- ↑ Walter M. Elsasser. On the Origin of the Earth's Magnetic Field : [англ.]. — Phys. Rev.. — 1939. — No. 5 (1 March). — С. 489—498.
- ↑ E. C. Bullard. The Magnetic Field within the Earth // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1949. — Vol. 197, iss. 1051. — P. 433—453. — DOI:.
- ↑ а б в г Chris A. Jones. Planetary Magnetic Fieldsand Fluid Dynamos // Annual Review of Fluid Mechanics. — Annual Reviews, 2011. — Vol. 43 (25 January). — P. 583—614. Архівовано з джерела 15 серпня 2017.
- ↑ Venus: Magnetic Field and Magnetosphere Архівна копія на сайті Wayback Machine.(англ.) — J. G. Luhmann and C. T. Russel, UCLA
- ↑ Jim Brau (2011). Venus: Earth's Sister Planet. Course "Astronomy 121: Solar System" (Spring 2011) (англ.). University of Oregon. Архів оригіналу за 25 жовтня 2016. Процитовано 15 серпня 2017.
- ↑ Xiang-Dong Li. Venus's Magnetic Field and Internal Structure (англ.). School of astronomy and space science, Nanjing University. Архів оригіналу за 13 листопада 2017. Процитовано 15 серпня 2017.
- ↑ Gold, Lauren. (3 травня 2007). Mercury has molten core, Cornell researcher shows. Cornell University. Архів оригіналу за 22 травня 2012. Процитовано 7 квітня 2008.
- ↑ Christensen U. R. A deep dynamo generating Mercury's magnetic field // Nature. — 2006. — Vol. 444, iss. 7122 (25 January). — DOI:. — PMID 17183319 . (Перевірено 12 червня 2011)
- ↑ а б в г Nigel Weiss. Dynamos in planets, stars and galaxies // A&G. — 2002. — Vol. 43, iss. 3, (06). — P. 3.9—3.14. — DOI:. Архівовано з джерела 22 січня 2022.
- ↑ Valentine, Theresa; Amde, Lishan (9 листопада 2006). Magnetic Fields and Mars. Mars Global Surveyor @ NASA. Архів оригіналу за 21 серпня 2011. Процитовано 17 липня 2009.
- ↑ D J Stevenson. Planetary magnetic fields : [арх. 16 серпня 2017]. — Reports on Progress in Physics. — 1983. — № 5. — С. 555.
- ↑ Bland; Showman, A.P.; Tobie, G. Ganymede's orbital and thermal evolution and its effect on magnetic field generation // Lunar and Planetary Society Conference : journal. — 2007. — Vol. 38 (3). — P. 2020. Архівовано з джерела 27 березня 2009.
- ↑ Kivelson, M.G.; Khurana, K.K.; Coroniti, F.V. et al. The magnetic field and magnetosphere of Ganymede // Geophysical Research Letters : journal. — 1997. — Vol. 24, no. 17 (25 January). — P. 2155—2158. — Bibcode:. — DOI:. Архівовано з джерела 27 березня 2009.
- ↑ Kivelson, M.G.; Khurana, K.K.; Coroniti, F.V. et al. The Permanent and Inductive Magnetic Moments of Ganymede // Icarus : journal. — Elsevier, 2002. — Vol. 157, no. 2 (25 January). — P. 507—522. — Bibcode:. — DOI:. Архівовано з джерела 27 березня 2009.
- ↑ Brainerd, Jim (22 листопада 2004). Jupiter's Magnetosphere. The Astrophysics Spectator. Архів оригіналу за 12 червня 2020. Процитовано 10 червня 2017.
- ↑ а б Russell, C.T. Planetary Magnetospheres // Reports on Progress in Physics : journal. — 1993. — Vol. 56 (25 January). — P. 687—732.
- ↑ «Планетные системы»: Уран. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 10 листопада 2014.
- ↑ Ness, Norman F.; Acuna, Mario H.; Behannon, Kenneth W.; et al. Magnetic Fields at Uranus // Science. — 1986. — Vol. 233 (25 January). — P. 85—89. Архівовано з джерела 11 жовтня 2007.
- ↑ Stanley, Sabine; Bloxham, Jeremy. Convective-region geometry as the cause of Uranus’ and Neptune’s unusual magnetic fields // Nature : journal. — 2004. — Vol. 428 (25 January). — P. 151—153. — DOI:. Архівовано з джерела 7 серпня 2007. Процитовано 2017-06-10. Архивированная копия (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 7 серпня 2007. Процитовано 10 червня 2017.
- Магнітосфера планети // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 264-265. — ISBN 966-613-263-X.