Dlaczego planety gazowe (Jowisz) posiadają pole magnetyczne? Skąd się ono bierze?


Pytanie:

Dlaczego planety gazowe (Jowisz) posiadają pole magnetyczne? Skąd się ono bierze?
od: Krzyś (ozarow164@ozarow.net)

Odpowiedź:

dr Krzysztof T. Chyży:

Większość obserwowanych pól magnetycznych w obiektach astrofizycznych jest wytwarzana przez mechanizm dynama oparty o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Jest to zjawisko zamiany energii mechanicznej (ruchu) na prąd elektryczny w obecności pola magnetycznego, a ponieważ przepływ prądu generuje pole magnetyczne również ono jest efektem działania dynama. Idee dynama wprowadził Micheal Faraday w IXX stuleciu. W oparciu o nią sam skonstruował pierwsze urządzenia generujące prąd. W dzisiejszym świecie korzystamy z nich na co dzień, od prądnicy w samochodzie po konwencjonalne elektrownie.

Kosmiczne dynama różnią się od tych implementowanych w ziemskich urządzeniach. Prądy powstają tam w wyniku ruchu materii, która zachowuje się jak przewodząca ciecz i może być plazmą lub płynną substancją. Już w 1919 r. Sir Joseph Larmor zapostulował powstawanie pól magnetycznych na Słońcu w procesie takiego plazmowego dynama.

Aby planeta posiadała pole magnetyczne muszą być spełnione pewne warunki:

  • musi istnieć początkowe, choćby szczątkowe pole magnetyczne, które w procesie dynamo będzie wzmacniane
  • musi istnieć we wnętrzu planety warstwa w stanie ciekłym, przewodząca elektrycznie
  • musi istnieć źródło energii, które będzie ten region utrzymywać w ruchu

We wnętrzu Ziemi za dynamo odpowiedzialna jest warstwa ciekłego żelaza, której z pewnością brak na Jowiszu, Saturnie, Uranie i Neptunie. Jak zauważono jednak w pytaniu, te gazowe planety Układu Słonecznego mają pola magnetyczne. Rekordzistą jest oczywiście Jowisz, który ma najsilniejsze pole, 10-krotnie silniejsze od ziemskiego!

Zorza wokół północnego bieguna Jowisza sfotografowana w ultrafiolecie przez Teleskop Kosmiczny. Zorze są wynikiem wpadania szybkich (energetycznych) elektronów poruszających się wzdłuż linii pola magnetycznego w górne warstwy atmosfery. Elektrony te wzbudzają atomy gazu powodując ich wyświecanie. Najdziwniejsze są jednak na tym zdjęciu ślady prądów elektrycznych generowanych przez trzy księżyce Jowisza: Io - z lewej strony, Ganimedesa (w środku) i Europę (poniżej). Źródło: HST Zorze polarne na Saturnie (różowe obszary wokół biegunów) sfotografowane przez Teleskop Kosmiczny. Źródło: HST

Wielka masa Jowisza pociąga za sobą nieco odmienny jego skład w stosunku do pozostałych planet. Jowisz składa się głównie z wodoru i helu. Niezwykle silne pole grawitacyjne planety ściska te składniki do tak dużych ciśnień, że przechodzą one w stan ciekły. Co więcej, już na głębokościach poniżej 0.7 promienia ciśnienie jest tak duże, że wodór przechodzi w tzw. stan metaliczny i może przewodzić prąd. Właśnie ta warstwa jest odpowiedzialna za generację pól magnetycznych w procesie dynama. Podobna warstwa ciekłego wodoru metalicznego, lecz znacznie cieńsza (poniżej 0.3 promienia) występuje we wnętrzu Saturna. Natomiast słabe i skomplikowane pola magnetyczne Urana i Neptuna wskazują na istnienie u nich warstwy znacznie słabiej przewodzącej prąd, typu morza wodnego (z dodatkami jak amoniak i metan).

Jeśli chodzi o źródło energii do dynama to w przypadku Jowisza energia ta bierze się głównie z pierwotnego ciepła planety, z okresu jej formowania, które do tej pory jest powoli uwalniane w procesie oziębiania się planety. W przypadku Saturna wiadomo, że dochodzi jeszcze energia grawitacyjna kropel helu osadzających się w głębszych warstwach jądra (tzw. deszcz helowy). Niezależnie od źródeł energii, to ona właśnie utrzymuje w ciekłej, przewodzącej warstwie konwekcję (wymianę ciepła poprzez ruch). Ten ruch połączony z wirowaniem planet indukuje prąd i pole magnetyczne. Zatem szczegóły generacji pól magnetycznych są na różnych planetach odmienne ale wszędzie mamy do czynienia z mechanizmem dynama.

Warto zauważyć, że metaliczny wodór otrzymano doświadczalnie na Ziemi dopiero w 1996 roku i to w bardzo krótkotrwałym procesie. W 1998 roku w laboratorium Lawrence Livermore National Laboratory w Kaliforni otrzymano na nieco dłużej fazę metaliczną ciekłego wodoru, symulując warunki we wnętrzu Jowisza (patrz artykuł w Nature). Natomiast "ciekłe" dynamo udało się zrealizować w warunkach laboratoryjnych, po wielu nieudanych próbach, dopiero w 2000 roku (doniesienie naukowe o tym doświadczeniu  ukazało się w Phys.Rev.Lett. 84, 4365, z 8 maja 2000).

 

30 grudnia 2003