Thực đơn
Từ quyển Sao Mộc
Sao Mộc có các vòng cực quang vĩnh cửu và sáng ở cả hai cực của nó. Không giống như cực quang trên Trái Đất, thoáng qua và chỉ xảy ra vào những thời điểm hoạt động của Mặt Trời tăng cao, cực quang Sao Mộc tồn tại lâu dài, mặc dù cường độ của chúng thay đổi theo từng ngày. Chúng bao gồm ba thành phần chính: các vòng cực quang chính, là các vòng sáng và hẹp (chiều rộng nhỏ hơn 1000 km) nằm ở khoảng 16° từ các cực từ;[44] các đốm cực quang gây ra bởi các vệ tinh tự nhiên của Sao Mộc, tương ứng với các vị trí mà các đường sức từ kết nối tầng điện ly của Sao Mộc với các vệ tinh tự nhiên lớn và gần nó nhất, và những điểm phát xạ cực quang nhất thời nằm trong các vòng cực quang chính.[44][45] Trong khi bức xạ cực quang đã được phát hiện ở hầu hết các dải phổ điện từ, gồm sóng vô tuyến điện đến tia X (lên đến 3 keV), chúng sáng nhất ở vùng phổ giữa hồng ngoại (bước sóng 3-4 μm và 7-14 μm) và các dải quang phổ cực tím sâu (bước sóng 80-180 nm).[9]
Các vòng cực quang chính là đặc điểm chủ đạo của cực quang Sao Mộc. Chúng có hình dáng và vị trí ổn định,[45] nhưng cường độ sáng của chúng thay đổi mạnh theo áp suất của gió mặt trời — gió mặt trời mạnh lên thì cực quang yếu đi.[46] Như đã được đề cập ở các nội dung bên trên, các vòng cực quang chính được duy trì bởi các dòng điện tử cường độ cao được gia tốc bởi hiệu điện thế giữa plasma trong đĩa từ và tầng điện ly của Sao Mộc.[47] Các điện tử mang theo dòng điện hướng từ trường, gây ra lực Lorentz làm plasma trong đĩa từ quay cùng với Sao Mộc.[32] Hiệu điện thế được tích lũy do plasma loãng hơn ở bên ngoài phiến plasma xích đạo không dẫn điện tốt.[33] Các điện tử rơi xuống vòng cực quang chính có năng lượng trong khoảng 10 đến 100 keV và đi xuyên sâu vào bên trong khí quyển Sao Mộc, nơi chúng làm ion hóa và kích thích các phân tử hydro, gây ra phát xạ cực tím.[48] Năng lượng tổng cộng chảy vào tầng điện ly ở vào khoảng 10 đến 100 TW.[49] Ngoài ra, dòng điện chạy trong tầng ly làm nóng tầng khí quyển này qua hiệu ứng gia nhiệt Joule. Công suất sinh nhiệt của hiệu ứng này lên đến 300 TW, gây ra bức xạ hồng ngoại mạnh từ cực quang của Sao Mộc, và đóng góp một phần vào việc làm nóng tầng nhiệt của Sao Mộc.[50]
| Bức xạ | Sao Mộc | Đốm cực quang Io |
|---|---|---|
| Vô tuyến (KOM, <0.3 MHz) | ~1 GW | ? |
| Vô tuyến (HOM, 0.3–3 MHz) | ~10 GW | ? |
| Vô tuyến (DAM, 3–40 MHz) | ~100 GW | 0.1–1 GW (Io-DAM) |
| Hồng ngoại (hiđrôcacbon, 7–14 μm) | ~40 TW | 30–100 GW |
| Hồng ngoại (H3+, 3–4 μm) | 4–8 TW | |
| Nhìn thấy (0.385–1 μm) | 10–100 GW | 0.3 GW |
| Tử ngoại (80–180 nm) | 2–10 TW | ~50 GW |
| Tia X (0.1–3 keV) | 1–4 GW | ? |
Các đốm cực quang gây ra bởi ba vệ tinh tự nhiên của Sao Mộc: Io, Europa và Ganymede.[chú thích 6][52] Các đốm này được sinh ra là do plasma bị quay chậm hơn khi ở gần các vệ tinh này, gây ra những dòng điện mạnh hơn nối từ các tầng điện ly của chúng đến tầng điện ly của Sao Mộc. Đốm sáng nhất gây ra bởi Io, vệ tinh này là nguồn cung cấp chủ lực cho plasma trong từ quyển (xem các nội dung ở bên trên). Đốm cực quang Io được cho là có liên hệ với các sóng Alfvén chạy trong các tầng điện ly của Sao Mộc và Io. Các đốm cực quang Europa và Ganymede mờ hơn nhiều, vì các vệ tinh này không phải là các nguồn sinh ra nhiều plasma. Plasma từ Europa và Ganymede có nguồn gốc từ sự thăng hoa nước đá trên bề mặt của chúng.[53]
Một số điểm hoặc cung sáng thỉnh thoảng cũng xuất hiện bên trong các vòng cực quang chính. Các hiện tượng nhất thời này được cho là có liên hệ với tương tác của gió mặt trời.[45] Các đường sức từ trong vùng cực quang được cho là mở và nối đến đuôi từ.[45] Các vòng cực quang thứ cấp nằm bên trong vòng cực quang chính có thể liên quan đến đường biên giới giữa các đường sức từ mở và các đường sức từ khép kín, được gọi là các đỉnh kết nối ở cực.[54] Phát xạ cực quang ở gần cực Sao Mộc tương tự như ở cực Trái Đất: cả hai đều xuất hiện khi các điện tử được gia tốc về phía hành tinh bởi một hiệu điện thế, trong quá trình tái kết nối các đường sức từ mặt trời với các đường sức từ của hành tinh.[32] Vùng nằm bên trong vòng cực quang chính phát ra chủ yếu tia X. Phổ X quang của bức xạ cực quang cho thấy các vạch quang phổ của oxy và lưu huỳnh bị ion hóa cao, có thể xuất hiện khi ion S và O năng lượng cao (hàng trăm kiloelectronvolt) bay vào vùng cực của khí quyển Sao Mộc. Nguồn sinh ra các ion này vẫn chưa được biết rõ.[43]
Sao Mộc là nguồn phát sóng vô tuyến mạnh, trong dải phổ từ vài kilohertz đến hàng chục megahertz. Sóng vô tuyến với tần số nhỏ hơn 0,3 MHz (ứng với bước sóng dài hơn 1 km) được gọi là bức xạ vô tuyến kilomét hay KOM. Sóng với tần số trong khoảng 0,3 đến 3 MHz (ứng với bước sóng khoảng 100 đến 1000 m) được gọi là bức xạ hectomét hay HOM, còn bức xạ trong dải 3 đến 40 MHz (với bước sóng cỡ 10 đến 100 m) được gọi là bức xạ decamét hay DAM. Bức xạ DAM là bức xạ vô tuyến của Sao Mộc lần đầu được quan sát từ Trái Đất, và bức xạ này biến thiên theo chu kỳ xấp xỉ 10 giờ, giúp nhận diện nó đến từ Sao Mộc. Phần bức xạ DAM mạnh nhất, liên quan đến Io và tương tác của các dòng plasma giữa Io và Sao Mộc, được gọi là DAM do Io.[55][chú thích 7]
Phổ bức xạ vô tuyến của Sao Mộc, so sánh với bức xạ vô tuyến kilomét của bốn hành tinh có từ trường khác là Sao Thổ, Trái Đất, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.Phần lớn các bức xạ này được cho là sinh ra bởi cơ chế Bất ổn định Maser Xiclotron, được hình thành ở gần vùng cực quang, nơi các điện tử dao động qua lại giữa hai cực. Các điện tử liên quan đến việc sinh ra các sóng vô tuyến có thể là những hạt mang dòng điện đi từ hai cực đến đĩa từ.[56] Cường độ bức xạ vô tuyến của Sao Mộc thường biến đổi từ từ theo thời gian; tuy nhiên, thỉnh thoảng, và một cách định kỳ, Sao Mộc vẫn sinh ra các phát xạ bùng nổ ngắn và mạnh (gọi là bùng nổ S), làm che mờ các thành phần bức xạ khác. Tổng công suất phát xạ trong dải DAM là khoảng 100 GW, còn tổng công suất phát xạ của hai dải HOM và KOM là khoảng 10 GW. So với Sao Mộc, tổng công suất phát xạ của Trái Đất chỉ là 0,1 GW.[55]
Phát xạ hạt và sóng vô tuyến của Sao Mộc bị điều chế mạnh bởi sự tự quay của nó, khiến cho hành tinh này hoạt động như sao xung trong bức xạ vô tuyến.[57] Sự điều chế tuần hoàn này có thể liên quan đến sự bất đối xứng trong từ quyển Sao Mộc, gây ra bởi độ nghiêng của trục mômen từ so với trục quay của hành tinh, và bởi các dị từ ở tầng cao khí quyển Sao Mộc. Cơ chế vật lý của phát xạ vô tuyến ở Sao Mộc tương tự như trong sao xung vô tuyến. Chỉ khác nhau về độ lớn, Sao Mộc có thể được coi như một sao xung vô tuyến rất nhỏ.[57] Ngoài ra, bức xạ vô tuyến của Sao Mộc cũng chịu tác động mạnh từ áp lực gió mặt trời và, do đó, phụ thuộc vào hoạt động của Mặt Trời.[55]
Ngoài bức xạ vô tuyến ở bước sóng tương đối dài, Sao Mộc cũng phát ra bức xạ xincrôtron (còn được gọi là bức xạ đềximét hay DIM) với tần số trong khoảng 0,1 đến 15 GHz (bước sóng từ 3 m đến 2 cm),[58] là các bức xạ hãm phát ra khi các điện tử tương đối tính [chú thích 8] bị bẫy ở bên trong vành đai bức xạ của hành tinh. Năng lượng của các điện tử tham gia vào phát xạ DIM là vào khoảng từ 0,1 đến 100 MeV,[59] và các điện tử đóng góp nhiều nhất cho phát xạ DIM có năng lượng trong khoảng 1 đến 20 MeV.[8] Bức xạ này đã được nghiên cứu kỹ và đã được sử dụng từ đầu những năm 1960 để nghiên cứu cấu trúc của từ trường và vành đai bức xạ của Sao Mộc.[60] Các hạt trong vành đai bức xạ bắt nguồn từ phần ngoài từ quyển và được tăng tốc đoạn nhiệt khi chúng di chuyển vào phần trong từ quyển.[27]
Từ quyển Sao Mộc phóng ra các điện tử và ion năng lượng cao (lên đến hàng chục megaelectronvolt), có thể đi xa tới tận quỹ đạo Trái Đất.[61] Các dòng hạt này khá chuẩn trực và thay đổi theo chu kỳ quay của Sao Mộc, giống như bức xạ vô tuyến. Trong khía cạnh này, Sao Mộc cũng cho thấy sự giống nhau với sao xung.[57]
Thực đơn
Từ quyển Sao MộcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Từ quyển Sao Mộc