Магнитосфе́ра Юпи́тера — полость, создаваемая в солнечном ветре планетарным магнитным полем Юпитера, в которой происходят разнообразные процессы взаимодействия солнечного ветра, межпланетного магнитного поля, собственного магнитного поля Юпитера и окружающей его плазмы. Простираясь более чем на 7 миллионов километров по направлению к Солнцу и почти до орбиты Сатурна в противоположном направлении, магнитосфера Юпитера является самой крупной и мощной среди всех планетарных магнитосфер Солнечной системы, а по объёму представляет собой самую большую непрерывную структуру в Солнечной системе после гелиосферы. Магнитосфера Юпитера, более широкая и плоская, и несколько порядков величины мощнее, чем магнитосфера Земли, а её магнитный момент примерно в больше. Существование магнитного поля Юпитера было впервые установлено по результатам радионаблюдений в конце 1950-х годов и непосредственно наблюдалось космическим аппаратом «Пионер-10» в 1973 году.

Внутреннее магнитное поле Юпитера генерируется электрическим током, текущим во внешнем ядре планеты, которое состоит из металлического водорода. Вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио выбрасывают в космос большой объём оксида серы, формируя крупный газовый тор вокруг планеты. Силы магнитного поля Юпитера заставляют тор вращаться с той же угловой скоростью и в том же направлении, что и планета. Тор пополняет магнитное поле планеты плазмой, которая в процессе вращения растягивается в блиноподобную структуру, известную как магнитный диск. В отличие от магнитосферы Земли, магнитосфера Юпитера формируется в основном за счёт плазмы Ио и собственного вращения, а не за счёт солнечного ветра. Мощные токи, протекающие в магнитосфере, служат причиной устойчивых полярных сияний вокруг планетарных полюсов и заметных колебаний в радиоизлучении, что значит, что Юпитер может в некоторых отношениях рассматриваться в качестве очень слабого радиопульсара. Полярные сияния Юпитера наблюдались почти во всех частях электромагнитного спектра, включая инфракрасную, видимую, ультрафиолетовую и мягкую рентгеновскую.

Магнитосфера улавливает и ускоряет частицы, создавая интенсивные радиационные пояса наподобие земных поясов Ван Аллена, но в тысячи раз более мощные. Взаимодействие энергичных частиц с поверхностями крупнейших спутников Юпитера заметно влияет на их химические и физические свойства. Эти же частицы влияют на движение частиц в разреженной планетарной кольцевой системе Юпитера и сами подвергаются его влиянию. Радиационные пояса представляют серьёзную опасность для космических кораблей и потенциальных пилотируемых экспедиций.

Структура Юпитерианская магнитосфера — это сложная структура, включающая в себя головную ударную волну, магнитослой, магнитопаузу, хвост магнитосферы, магнитодиск и прочие компоненты. Магнитное поле вокруг Юпитера создаётся за счёт целого ряда явлений, например за счёт жидкостной циркуляции в ядре планеты (внутреннее поле), электрическим током в плазме, окружающей Юпитер, и токами, текущими на границе планетарной магнитосферы. Магнитосфера погружена в плазму солнечного ветра, несущую с собой межпланетное магнитное поле.Khurana, 2004, pp. 12—13.

Внутреннее магнитное поле Большая часть юпитерианского магнитного поля, подобно земному, генерируется внутренним динамо, поддерживаемым циркуляцией проводящей жидкости в его внешнем ядре. Но в то время как земное ядро состоит из расплавленного железа и никеля, ядро Юпитера состоит из металлического водорода. Подобно земному, юпитерианское магнитное поле представляет собой главным образом диполь, с северным и южным магнитными полюсами на противоположных концах магнитной оси. Однако на Юпитере северный и южный магнитные полюса диполя лежат в одноимённых полушариях планеты, тогда как в случае Земли, напротив, северный магнитный полюс диполя расположен в южном полушарии, а южный — в северном. Магнитное поле Юпитера содержит и более высокие мультипольные компоненты — квадрупольную, октупольную и т. д., но они как минимум на порядок слабее дипольной компонентыKhurana, 2004, pp. 3—5.

Диполь наклонён примерно на 10° относительно оси вращения Юпитера; это наклонение близко к земному (11,3°). Экваториальная индукция магнитного поля составляет примерно 428 мкТл (4,28 Гс, примерно в 10 раз больше земного), что соответствует магнитному моменту диполя около 1,53 Тл·м³ (в больше земного)Russel, 1993, p. 694.. Юпитерианское магнитное поле вращается с той же угловой скоростью, что и область под атмосферой, с периодом в 9 ч 55 м. Никаких заметных изменений в мощности или структуре не наблюдалось с момента первых измерений «Пионера-10» в середине 1970-х.

Размер и форма Внутреннее магнитное поле Юпитера препятствует прямому взаимодействию солнечного ветра (поток ионизированных частиц, истекающий из солнечной короны) с его атмосферой и вместо этого отклоняет его от планеты, фактически создавая полость в потоке солнечного ветра, называемую магнитосферой, состоящей из плазмы, отличной от плазмы солнечного ветраKhurana, 2004, pp. 1—3.. Юпитерианская магнитосфера настолько велика, что если в ней разместить Солнце даже с его видимой короной, то там всё равно останется достаточно пространстваRussel, 1993, pp. 715—717.. Если бы её можно было наблюдать с Земли, она бы занимала на небе пространство в пять с лишним раз большее полной луны, несмотря на то, что Юпитер находится более чем в 1700 раз дальше Луны.

Как и в случае с земной магнитосферой, граница, разделяющая более плотную и холодную плазму солнечного ветра от более горячей и менее плотной в магнитосфере Юпитера, называется магнитопаузой. Расстояние между магнитопаузой и центром планеты составляет от 45 до 100 (где 71 492 км — радиус Юпитера) на подсолнечной точке — нефиксированной точке на поверхности планеты, где Солнце будет находиться непосредственно над наблюдателем. Положение магнитопаузы зависит от давления, оказываемого солнечным ветром, которое, в свою очередь, зависит от уровня солнечной активностиRussell, 2001, pp. 1015—1016.. Перед магнитопаузой (на расстоянии от 80 до 130 от центра планеты) находится головная ударная волна, волнообразное возмущение в солнечном ветре, вызываемое его столкновением с магнитосферойKrupp, 2004, pp. 15-16.Russel, 1993, pp. 725—727.. Область между магнитопаузой и головной ударной волной именуется магнитным переходным слоем, или магнитослоем.

За ночной стороной планеты солнечный ветер вытягивает линии магнитного поля Юпитера в длинный, вытянутый хвост магнитосферы, который порою вытягивается даже за орбиту Сатурна. По своей структуре хвост юпитерианской магнитосферы напоминает земной. Он состоит из двух «лепестков» (области, отмеченные голубым на схеме). Магнитное поле в южном лепестке направлено в сторону Юпитера, а в северном — от него. Лепестки разделены тонкой прослойкой плазмы, называющейся хвостовым токовым слоем (вытянутая оранжевая зона на схеме)Khurana, 2004, pp. 17—18.. Как и земной, юпитерианский магнитосферный хвост — это канал, через который солнечная плазма попадает во внутренние регионы магнитосферы, где нагревается и формирует радиационные пояса на расстоянии менее чем 10 от ЮпитераKhurana, 2004, pp. 6-7.

Форма магнитосферы Юпитера, описанная выше, поддерживается: нейтральным токовым слоем (также известным как магнитохвостовой ток), который течёт в направлении вращения Юпитера через хвостовой плазменный слой; потоками плазмы внутри хвоста, текущими против вращения Юпитера на внешней границе хвоста магнитосферы; магнитопаузными токами (или токами Чапмана — Ферраро), которые текут против вращения планеты на дневной стороне магнитопаузы. Эти токи создают магнитное поле, которое обнуляет (компенсирует) внутреннее поле Юпитера за пределами магнитосферы. Они также активно взаимодействуют с солнечным ветромKivelson, 2005, pp. 303—313..

Традиционно магнитосферу Юпитера делят на три части: внутреннюю, среднюю и внешнею магнитосферу. Внутренняя лежит на расстоянии до 10 от центра планеты. Магнитное поле внутри неё представляет собой преимущественно диполь, потому что вклад от токов, проходящих через экваториальный плазменный слой, здесь весьма незначителен. В средней (между 10 и 40 ) и внешней (далее 40 ) магнитосфере магнитное поле отклоняется от дипольной структуры и серьёзно возмущается воздействием плазменного слоя (см. ниже раздел Магнитный диск).

Роль Ио

Хотя в целом магнитосфера Юпитера напоминает формой земную, вблизи от планеты их структуры сильно отличаются. Вулканически активный спутник Юпитера Ио сам по себе является мощным источником плазмы и каждую секунду добавляет в магнитосферу Юпитера до 1000 кг нового материала.Khurana, 2004, pp. 5—7.. Сильные вулканические извержения на Ио поднимают в открытый космос сернистый газ, бо́льшая часть которого диссоциируется на атомы и ионизируется солнечной ультрафиолетовой радиацией. В результате образуются ионы серы и кислорода: S+, O+, S2+ и O2+Krupp, 2004, pp. 3—4.. Эти ионы покидают атмосферу спутника, формируя плазменный тор Ио: массивное и относительно холодное кольцо из плазмы, окружающее Юпитер вдоль орбиты спутника. Температура плазмы внутри тора достигает 10—100 эВ (—), что намного ниже, чем энергия частиц в радиационных поясах — 10 кэВ (100 млн К). Плазма в торе вынуждена вращаться вместе с Юпитером, то есть у них одинаковый период вращения. (такое синхронное вращение называется коротацией). Тор Ио оказывает значимое воздействие на динамику всей магнитосферы ЮпитераKrupp, 2004, pp. 1—3..

В результате нескольких процессов, среди которых главную роль играют диффузия и обменная неустойчивость, плазма медленно покидает окрестности планетыKrupp, 2004, pp. 4-7.. Когда плазма удаляется от Юпитера, радиальные токи, протекающие сквозь неё, постепенно увеличивают свою скорость, поддерживая коротацию. Эти радиальные токи также служат источником азимутальной компоненты магнитного поля, которая в результате прогибается назад относительно направления вращенияKhurana, 2004, pp. 13-16. Концентрация частиц в плазме уменьшается с 2000 см−3 в торе Ио до примерно 0,2 см−3 на расстоянии в 35 Khurana, 2004, pp. 10-12.. В средней магнитосфере, на расстоянии более чем в 20 от Юпитера, коротация постепенно прекращается, и плазма вращается медленнее, чем планета. В конечном счёте, на расстоянии в более чем 40 (во внешней магнитосфере) плазма окончательно покидает магнитное поле и уходит в межпланетное пространство через хвост магнитосферыRussell, 2001, pp. 1024—1025.. Двигаясь наружу, холодная и плотная плазма меняется местами с горячей разреженной плазмой (с температурой в 20 кэВ (200 млн K) или выше), двигающейся из внешней магнитосферы. Эта плазма, приближаясь к Юпитеру и сжимаясь, адиабатически нагреваетсяKhurana, 2004, pp. 20-21., формируя радиационные пояса во внутренней магнитосфере.

Магнитный диск В отличие от магнитного поля Земли, имеющего приблизительно каплеобразную форму, поле Юпитера более сплющено, больше напоминает диск и периодически качается относительно оси. Основной причиной такой дискообразной конфигурации служит центробежная сила, вызываемая коротацией плазмы и магнитного поля, а также тепловым давлением горячей плазмы. Оба явления приводят к растяжению линий магнитного поля, формируя на расстоянии свыше 20 от планеты сплющенную, блинообразную структуру, известную под названием «магнитный диск»Russell, 2001, pp. 1021—1024.. В средней плоскости, примерно вблизи магнитного экватора, этот диск содержит тонкий токовый слой. Линии магнитного поля направлены от Юпитера над этим слоем и к Юпитеру — под ним. Плазма, поступающая от Ио, значительно увеличивает размеры магнитосферы Юпитера, поскольку магнитный диск создаёт дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра. Расстояние от планеты до магнитопаузы в «подсолнечной точке», равное в среднем 75 , в отсутствие Ио уменьшилось бы до 43 .

Динамика

Ротация и радиальные токи