Thực đơn
Từ quyển Sao Mộc
Từ quyển Sao Mộc là một cấu trúc phức tạp bao gồm một cung sốc, bao từ, biên từ, đuôi từ, đĩa từ, và các thành phần khác. Từ trường xung quanh Sao Mộc được gây ra bởi nhiều nguồn khác nhau, bao gồm tuần hoàn chất lỏng tại lõi của hành tinh (từ trường nội tại), dòng điện trong plasma xung quanh Sao Mộc và các dòng điện chạy ở ranh giới của từ quyển của hành tinh này. Từ quyển Sao Mộc nằm trong plasma của gió mặt trời, dòng plasma này là nguồn tạo ra từ trường liên hành tinh.[11]
Phần lớn từ trường của Sao Mộc, như của Trái Đất, được tạo ra bởi một dynamo trong lõi của hành tinh, được duy trì bằng dòng tuần hoàn của chất lỏng dẫn điện ở phần lõi ngoài. Nhưng trong khi lõi của Trái Đất chứa sắt và niken nóng chảy, lõi Sao Mộc lại gồm hydro kim loại.[3] Như với Trái Đất, từ trường của Sao Mộc có thành phần chủ yếu là một lưỡng cực từ, với cực từ bắc và nam nằm ở hai đầu của một trục từ duy nhất.[2] Tuy nhiên, trên Sao Mộc, cực từ bắc nằm ở bán cầu bắc, và cực từ nam nằm trong bán cầu phía nam, ngược lại so với Trái Đất.[12][chú thích 1] Từ trường Sao Mộc cũng có tứ cực từ, bát cực từ và các thành phần nhiều cực hơn, mặc dù chúng yếu hơn một phần mười lần thành phần lưỡng cực.[2]
Lưỡng cực từ của Sao Mộc nghiêng khoảng 10° so với trục tự quay của Sao Mộc; độ nghiêng này tương tự như trái Đất (11,3°).[1][2] Cường độ từ trường ở xích đạo là 776,6 µT (7,766 G), ứng với mômen lưỡng cực từ khoảng 2,83 × 1020 T·m3. Như vậy từ trường Sao Mộc mạnh gấp 20 lần so với Trái Đất, với mômen từ mạnh gấp ~20,000 lần.[13][14][chú thích 2] Từ trường Sao Mộc quay ở tốc độ góc giống như vùng bên dưới bầu khí quyển của nó, với chu kỳ khoảng 9 h 55 m. Cường độ từ trường và cấu trúc của từ trường thay đổi không đáng kể, kể từ khi những đo đạc đầu tiên được thực hiện bởi chương trình Pioneer vào giữa năm 1970.[chú thích 3]
Từ trường trong lòng Sao Mộc ngăn cản gió mặt trời, dòng các hạt đã bị ion hóa được phát ra từ Mặt Trời, tương tác trực tiếp với khí quyển Sao Mộc, đẩy xa dòng gió mặt trời ra ngoài, tạo ra một khoang rỗng trong dòng chảy của gió mặt trời, được gọi là từ quyển, chứa các plasma không có nguồn gốc từ gió mặt trời.[6] Từ quyển Sao Mộc có độ lớn có thể đủ chứa hết cả Mặt Trời, bao gồm cả phần vành nhật hoa nhìn thấy được của Mặt Trời.[15] Nếu có thể nhìn thấy từ Trái Đất, từ quyển này sẽ to gấp năm lần trăng tròn trên bầu trời, dù nằm ở xa gấp 1700 lần.[15]
Giống như với từ quyển Trái Đất, vùng biên giới giữa plasma đặc hơn và nguội hơn của gió mặt trời và plasma nóng hơn và loãng hơn bên trong từ quyển Sao Mộc được gọi là biên từ.[6] Khoảng cách từ biên từ đến tâm Sao Mộc bằng khoảng 45 đến 100 RJ (với RJ=71,492 km là bán kính Sao Mộc) tại cận điểm Mặt Trời — điểm tưởng tượng nằm trên biên từ mà Mặt Trời ở ngay trên đỉnh đầu.[6] Vị trí của biên từ phụ thuộc vào áp lực của gió mặt trời, áp lực này lại phụ thuộc vào hoạt động của Mặt Trời.[16] Phía trước biên từ (ở khoảng cách cỡ 80 đến 130 RJ tính từ tâm Sao Mộc về phía Mặt Trời) có cung sốc, là một vùng sóng xung kích được tạo ra do va chạm của gió mặt trời với từ quyển.[17][18] Vùng nằm giữa cung sốc và biên từ được gọi là bao từ.[6]
Sơ đồ các thành phần của từ quyển. (1): cung sốc, (2): bao từ, (3): biên từ, (4): từ quyển, (5): thùy bắc của đuôi từ, (6): thùy nam của đuôi từ, (7): plasma quyển - là phiến plasma và vòng xuyến plasma.Ở phía đối diện với cung sốc, gió mặt trời kéo các đường sức từ của Sao Mộc ra thành đuôi từ (hay từ vĩ) dài, đôi khi được kéo dài vượt quá cả quỹ đạo Sao Thổ.[19] Cấu trúc đuôi từ ở Sao Mộc tương tự như ở Trái Đất. Nó bao gồm hai thùy (hai vùng màu xanh dương trên hình), với từ trường ở thùy phía nam hướng về Sao Mộc, và từ trường ở thùy phía bắc hướng ngược lại. Các thùy được phân tách bởi một lớp plasma mỏng gọi là phiến plasma của đuôi từ (lớp màu cam ở giữa trên hình).[19] Giống như trên Trái Đất, đuôi từ của Sao Mộc là kênh dẫn plasma từ Mặt Trời đi vào các vùng bên trong của từ quyển, để bị nóng lên và hình thành vành đai bức xạ ở khoảng cách nhỏ hơn 10 RJ tới tâm Sao Mộc.[20]
Hình dạng của từ quyển Sao Mộc, như vừa mô tả, được duy trì bởi ba dòng chảy: dòng đuôi từ, là dòng chảy trung hòa điện theo sự tự quay của Sao Mộc trong phiến plasma; dòng đuôi, là dòng chảy ngược lại với chiều tự quay của Sao Mộc ở biên giới phía ngoài của đuôi từ; và dòng biên từ (còn gọi là dòng Chapman-Ferraro), là dòng chảy ngược với chiều tự quay của Sao Mộc ở phía biên từ gần Mặt Trời.[12] Các dòng chảy này tạo ra các từ trường đối nghịch với, và bù trừ hoàn toàn, từ trường nội tại, ở vùng nằm bên ngoài từ quyển.[19] Các dòng chảy này cũng tương tác mạnh với gió mặt trời.[12]
Từ quyển Sao Mộc thường được phân chia thành ba phần: phần trong, phần giữa và phần ngoài. Phần trong từ quyển nằm ở khoảng cách nhỏ hơn 10 RJ đến tâm Sao Mộc. Từ trường ở trong phần này có thể được xấp xỉ bằng một lưỡng cực từ, vì trong vùng này ảnh hưởng của các dòng chảy ở phiến plasma của từ quyển là nhỏ. Ở phần giữa (từ 10 đến 40 RJ) và phần ngoài (trên 40 RJ), từ trường không còn là lưỡng cực từ, và bị ảnh hưởng mạnh bởi tương tác với các phiến plasma (xem thêm mục nói về đĩa từ bên dưới).[6]
Mặc dù hình dạng từ quyển Sao Mộc giống với từ quyển Trái Đất, cấu trúc từ quyển Sao Mộc ở vùng gần hành tinh này lại rất khác.[16] Hoạt động núi lửa trên Io, vệ tinh tự nhiên nằm gần Sao Mộc nhất, sinh ra nguồn plasma mạnh mẽ, cung cấp cho từ quyển Sao Mộc tới 1,000 kg vật liệu mới trong mỗi giây.[7] Các vụ phun trào núi lửa lớn trên Io sản sinh một lượng đáng kể lưu huỳnh dioxit, phần lớn trong số đó bị phân ly thành các đơn nguyên tử và rồi bị ion hóa bởi bức xạ cực tím của Mặt Trời, tạo ra các ion lưu huỳnh và oxy: S+, O+, S2+ và O2+.[21] Các ion này thoát khỏi khí quyển của Io, hình thành vòng xuyến plasma Io: một vòng xuyến plasma dày đặc và tương đối lạnh bay vòng quanh Sao Mộc, ở khoảng cách cỡ quỹ đạo của Io.[7] Nhiệt độ plasma trong vòng xuyến này vào khoảng 10–100 eV (100 nghìn đến 1 triệu K), thấp hơn nhiều nhiệt độ của các hạt trong vành đai bức xạ — 10 keV (100 triệu K). Do tương tác với từ trường nội tại của Sao Mộc, vòng xuyến plasma Io bị buộc phải xoay quanh Sao Mộc ở cùng tốc độ góc với tốc độ tự quay của Sao Mộc.[22] Vòng xuyến plasma Io làm thay đổi một cách căn bản động lực học của từ quyển Sao Mộc.[23]
Do một số nguyên nhân — như khuếch tán và sự hoán đổi do bất ổn định — plasma dần dần thoát ra khỏi Sao Mộc.[22] Khi plasma đi ra xa khỏi Sao Mộc, dòng chảy xuyên tâm tăng dần vận tốc, để duy trì chuyển động quay với vận tốc góc không đổi.[6] Các dòng chảy xuyên tâm này là nguồn sinh ra thành phần phương vị của từ trường.[24] Mật độ số hạt của plasma giảm từ mức 2000 cm−3 ở vòng xuyến plasma Io xuống còn 0,2 cm−3 ở khoảng cách 35 RJ.[25] Ở phần giữa từ quyển, tại khoảng cách trên 20 RJ tới tâm Sao Mộc, plasma bắt đầu quay chậm hơn Sao Mộc.[6] Cuối cùng, đến khoảng cách trên 40 RJ (ở phần ngoài từ quyển) plasma thoát hoàn toàn khỏi từ trường, và rời từ quyển qua đuôi từ.[26] Trong lúc dòng plasma dày đặc và nguôi lạnh thoát ra ngoài, lại có dòng plasma nóng (nhiệt độ cỡ 20 keV (200 triệu K) hoặc cao hơn) và loãng di chuyển vào trong từ phần ngoài từ quyển.[25] Dòng plasma chảy vào trong, bị hâm nóng một cách đoạn nhiệt khi tiến gần đến Sao Mộc,[27] tạo ra vành đai bức xạ ở phần trong từ quyển Sao Mộc.[7]
Trong khi từ trường Trái Đất có hình giọt nước, từ trường Sao Mộc lại bẹt hơn, trông giống hình đĩa, và quay đều đặn quanh trục.[28] Lý do chính gây ra hình dạng giống như đĩa là do lực ly tâm tác động lên vòng xuyến plasma sinh ra bởi Io quay cùng Sao Mộc và áp lực từ dòng plasma nóng đi vào, cả hai tác động đều có xu hướng kéo bẹt đường sức từ của Sao Mộc, tạo thành cấu trúc gọi là đĩa từ, ở khoảng cách trên 20 RJ từ tâm Sao Mộc.[6][10] Đĩa từ có một dòng chảy ở trên phiến mỏng tại mặt phẳng trung tâm,[21] gần xích đạo từ. Các đường sức từ đi về phía ra xa khỏi Sao Mộc ở phía trên phiến này, và đi về phía lại gần Sao Mộc ở ở phía dưới phiến này.[16] Plasma cung cấp bởi Io giúp làm tăng đáng kể kích thước của từ quyển Sao Mộc, bởi vì đĩa từ tạo ra thêm áp suất giúp cân bằng với áp lực của gió mặt trời.[17] Nếu không có Io, khoảng cách tới biên từ ở cận điểm Mặt Trời sẽ không quá 42 RJ, trong khi trên thực tế khoảng cách này trung bình vào khoảng 75 RJ.[6]
Cấu trúc của đĩa từ được duy trì bởi dòng điện xoáy phương vị (không giống với dòng điện xoáy của Trái Đất), chảy cùng với sự quay vòng của phiến plasma xích đạo.[29] Lực Lorentz do tương tác của dòng điện này với từ trường hành tinh tạo ra lực hướng tâm, giữ cho plasma quay vòng cùng với Sao Mộc không thoát khỏi Sao Mộc. Tổng cường độ dòng điện xoáy ở phiến plasma xích đạo được ước lượng vào cỡ 90–160 triệu ampe.[6][24]
Thực đơn
Từ quyển Sao MộcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Từ quyển Sao Mộc