Magnetosfera

Na astronomia e na ciência planetária, uma magnetosfera é uma região do espaço ao redor de um objeto astronômico na qual partículas carregadas são afetadas pelo campo magnético desse objeto. É criado por um corpo celeste com um dínamo interno ativo.

No ambiente espacial próximo a um corpo planetário, o campo magnético se assemelha a um dipolo magnético. Mais longe, as linhas de campo podem ser significativamente distorcidas pelo fluxo de plasma eletricamente condutor, emitido pelo Sol (ou seja, o vento solar) ou por uma estrela próxima. Planetas com magnetosferas ativas, como a Terra, são capazes de mitigar ou bloquear os efeitos da radiação solar ou radiação cósmica, que também protege todos os organismos vivos de consequências potencialmente prejudiciais e perigosas. Isso é estudado sob os assuntos científicos especializados de física de plasma, física espacial e aeronomia.

História

O estudo da magnetosfera da Terra começou em 1600, quando William Gilbert descobriu que o campo magnético na superfície da Terra se assemelhava ao de uma terrella, uma pequena esfera magnetizada. Na década de 1940, Walter M. Elsasser propôs o modelo da teoria do dínamo, que atribui o campo magnético da Terra ao movimento do núcleo externo de ferro da Terra. Através do uso de magnetômetros, os cientistas puderam estudar as variações no campo magnético da Terra em função do tempo, da latitude e da longitude.

A partir do final da década de 1940, os foguetes foram usados para estudar os raios cósmicos. Em 1958, o Explorer 1, o primeiro da série Explorer de missões espaciais, foi lançado para estudar a intensidade dos raios cósmicos acima da atmosfera e medir as flutuações nessa atividade. Esta missão observou a existência do cinturão de radiação de Van Allen (localizado na região interna da magnetosfera da Terra), com o acompanhamento do Explorer 3 no final daquele ano provando definitivamente sua existência. Também em 1958, Eugene Parker propôs a ideia do vento solar, com o termo 'magnetosfera' sendo proposto por Thomas Gold em 1959 para explicar como o vento solar interagia com o campo magnético da Terra. A missão posterior do Explorer 12 em 1961 liderada pela observação de Cahill e Amazeen em 1963 de uma diminuição repentina na força do campo magnético perto do meridiano do meio-dia, mais tarde foi chamada de magnetopausa. Em 1983, o International Cometary Explorer observou a cauda magnética, ou o campo magnético distante.

Estrutura e comportamento

As magnetosferas dependem de várias variáveis: o tipo de objeto astronômico, a natureza das fontes de plasma e momento, o período de rotação do objeto, a natureza do eixo sobre o qual o objeto gira, o eixo de o dipolo magnético e a magnitude e direção do fluxo do vento solar.

A distância planetária onde a magnetosfera pode suportar a pressão solar do vento é chamada de distância de Chapman–Ferraro. Isto é útil modelado pela fórmula em que RPNão. R_{P}} representa o raio do planeta, BSuRfNão. B_{it {surf}}} representa o campo magnético na superfície do planeta no equador, e VSWNão. V_{SW}} representa a velocidade do vento solar:

RCF= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =RP(BSuRf2μ μ 0? ? VSW2)16Não. R_{CF}=R_{P}left({frac {B_{it {surf}}^{2}}{mu _{0}rho V_{SW}^{2}}}right)^{frac Não.

Uma magnetosfera é classificada como "intrínseca" quando RCF* * RPNão. R_{CF}gg R_{P}}, ou quando a oposição primária ao fluxo do vento solar é o campo magnético do objeto. Mercúrio, Terra, Júpiter, Ganimedes, Saturno, Urano e Netuno, por exemplo, exibem magnetosferas intrínsecas. Uma magnetosfera é classificada como "induzida" quando RCF≪ ≪ RPNão. R_{CF}ll R_{P}}, ou quando o vento solar não é oposto pelo campo magnético do objeto. Neste caso, o vento solar interage com a atmosfera ou ionosfera do planeta (ou superfície do planeta, se o planeta não tem atmosfera). Vênus tem um campo magnético induzido, o que significa que porque Vênus parece não ter nenhum efeito dínamo interno, o único campo magnético presente é que formado pelo vento solar que envolve o obstáculo físico de Vênus (veja também a magnetosfera induzida de Vênus). Quando RCF? ? RPNão. R_{CF}approx R_{P}}, o próprio planeta e seu campo magnético ambos contribuem. É possível que Marte seja deste tipo.

Estrutura

Renderização de um artista da estrutura de uma magnetosfera: 1) Choque de arco. 2) Magnetosheath. 3) Magnetopausa. 4) Magnetosfera. 5) lobo da cauda do norte. 6) Solo de cauda sulista. 7) Plasmasfério.

Choque de proa

Imagem infravermelha e conceito de artista do choque arco em torno de R Hydrae

O arco de choque forma a camada mais externa da magnetosfera; a fronteira entre a magnetosfera e o meio ambiente. Para estrelas, este é geralmente o limite entre o vento estelar e o meio interestelar; para planetas, a velocidade do vento solar diminui à medida que se aproxima da magnetopausa.

Magnetobainha

A bainha magnética é a região da magnetosfera entre o arco de choque e a magnetopausa. É formado principalmente pelo choque do vento solar, embora contenha uma pequena quantidade de plasma da magnetosfera. É uma área que exibe alto fluxo de energia de partículas, onde a direção e a magnitude do campo magnético variam erraticamente. Isso é causado pela coleta de gás do vento solar que efetivamente passou por termalização. Atua como uma almofada que transmite a pressão do fluxo do vento solar e a barreira do campo magnético do objeto.

Magnetopausa

A magnetopausa é a área da magnetosfera onde a pressão do campo magnético planetário é equilibrada com a pressão do vento solar. É a convergência do vento solar chocado da bainha do magneto com o campo magnético do objeto e plasma da magnetosfera. Como ambos os lados dessa convergência contêm plasma magnetizado, as interações entre eles são complexas. A estrutura da magnetopausa depende do número de Mach e beta do plasma, bem como do campo magnético. A magnetopausa muda de tamanho e forma conforme a pressão do vento solar flutua.

Magnetotail

Oposto ao campo magnético comprimido está a cauda magnética, onde a magnetosfera se estende muito além do objeto astronômico. Ele contém dois lóbulos, referidos como os lóbulos da cauda norte e sul. As linhas do campo magnético no lóbulo da cauda norte apontam para o objeto, enquanto as do lóbulo da cauda sul apontam para longe. Os lóbulos da cauda estão quase vazios, com poucas partículas carregadas se opondo ao fluxo do vento solar. Os dois lóbulos são separados por uma folha de plasma, uma área onde o campo magnético é mais fraco e a densidade de partículas carregadas é maior.

A magnetosfera da Terra

Rendição artística da magnetosfera da Terra

Diagrama da magnetosfera da Terra

Sobre o equador da Terra, as linhas do campo magnético tornam-se quase horizontais e, em seguida, voltam a se reconectar em altas latitudes. No entanto, em grandes altitudes, o campo magnético é significativamente distorcido pelo vento solar e seu campo magnético solar. No lado diurno da Terra, o campo magnético é significativamente comprimido pelo vento solar a uma distância de aproximadamente 65.000 quilômetros (40.000 milhas). O arco de choque da Terra tem cerca de 17 quilômetros (11 mi) de espessura e está localizado a cerca de 90.000 quilômetros (56.000 mi) da Terra. A magnetopausa existe a uma distância de várias centenas de quilômetros acima da superfície da Terra. A magnetopausa da Terra foi comparada a uma peneira porque permite a entrada de partículas do vento solar. As instabilidades de Kelvin-Helmholtz ocorrem quando grandes redemoinhos de plasma viajam ao longo da borda da magnetosfera a uma velocidade diferente da magnetosfera, fazendo com que o plasma passe. Isso resulta na reconexão magnética e, à medida que as linhas do campo magnético se quebram e se reconectam, as partículas do vento solar são capazes de entrar na magnetosfera. No lado noturno da Terra, o campo magnético se estende na cauda magnética, que excede 6.300.000 quilômetros (3.900.000 milhas) de comprimento. A cauda magnética da Terra é a fonte primária da aurora polar. Além disso, os cientistas da NASA sugeriram que a cauda magnética da Terra pode causar "tempestades de poeira". na Lua, criando uma diferença de potencial entre o lado diurno e o lado noturno.

Outros objetos

Muitos objetos astronômicos geram e mantêm magnetosferas. No Sistema Solar, isso inclui o Sol, Mercúrio, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e Ganimedes. A magnetosfera de Júpiter é a maior magnetosfera planetária do Sistema Solar, estendendo-se até 7.000.000 quilômetros (4.300.000 mi) no lado diurno e quase até a órbita de Saturno no lado noturno. A magnetosfera de Júpiter é mais forte que a da Terra em uma ordem de magnitude e seu momento magnético é aproximadamente 18.000 vezes maior. Vênus, Marte e Plutão, por outro lado, não possuem campo magnético. Isso pode ter tido efeitos significativos em sua história geológica. É teorizado que Vênus e Marte podem ter perdido sua água primordial para a fotodissociação e o vento solar. Uma magnetosfera forte retarda muito esse processo. A magnetosfera de um exoplaneta foi detectada em 2021.