بررسی میدان‌ مغناطیسی سیارات

MacTavish · 22/8/19

بعضی از سیارات منظومه‌شمسی دارای میدان مغناطیسی هستند، آنها به گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویی یک مغناطیس غول‌آسا در مرکز سیاره وجود دارد (اگرچه واقعأ یک مغناطیس غول‌آسا در آنجا وجود ندارد). میدان مغناطیسی متفاوت با محور چرخشی هم‌تراز می‌شود. مثلأ، میدان مغناطیسی زمین حدود ۱۸ درجه با توجه به محور چرخشی آن شیب دارد.

میدان مغناطیسی ِ سیاره یک سپر را تشکیل می‌دهد که از سطح سیاره در برابر ذرات باردار ِ پرانرژی ناشی از خورشید و اجرام کیهانی محافظت می‌کند. خورشید به طور ثابت ذرات باردار به نام باد خورشیدی را به سمت منظومه شمسی پرتاب می‌کند. وقتی ذرات باد خورشیدی وارد یک میدان مغناطیسی می‌شوند، منحرف شده و به دور خطوط میدان مغناطیسی می چرخند. «خطوط میدان مغناطیسی» خطوطی هستند که برای توصیف مسیر حرکت ذرات مغناطیسی یا باردار در واکنش به یک میدان مغناطیسی به کار می‌روند. به همین ترتیب، «خطوط میدان گرانشی» به مرکز یک شی که گرانش تولید می‌کند، اشاره دارد.

می‌توانید مسیر خطوط میدان یک مغناطیس خانگی معمولی را با پاشیدن براده‌های آهن کوچک به دور یک مغناطیس ببینید – آنها در خطوط میدان مغناطیسی خاص به صف می‌شوند. بیشتر بادهای خورشیدی به دور سیاره منحرف می‌شوند، اما چند ذره به درون میدان مغناطیسی نفوذ کرده و در میدان مغناطیسی سیاره درون کمربندهای تابش یا کمربندهای ذرات ِ باردار گیر می‌افتند.

یک اثر خارق‌العاده که در زمان تعامل باد خورشیدی با میدان مغناطیسی یک سیاره دیده می‌شود «شفق قطبی» است. شفق‌های قطبی نمایش‌هایی از نورهای سوسوزننده‌ای هستند که توسط مولکول‌های موجود در جو بالایی تشکیل می شوند. نوسانات در باد خورشیدی می‌توانند کمربندها را ترک کنند و به طرف جو پایینی چرخش کنند تا با مولکول‌ها و اتم‌ها در ترموسفر یک سیاره برخورد کنند. این برخوردها مولکول‌های جو را برانگیخته می‌کند (الکترون‌های آنها را به سطوح انرژی بالاتری می‌فرستد). سپس الکترون‌ها با حرکت نزولی به سمت هسته‌های اتمی، انرژی اضافی را آزاد می‌کنند. درخشش شفق قطبی همان طیف‌های خط انتشار ناشی از الکترون‌ها در گاز ِ رقیق است که به سطوح انرژی اتمی پایین‌تر برگشت داده می‌شود.

تصویری از شفق قطبی رنگین که از ایستگاه فضایی ثبت شده است.

شفق قطبی در جو زمین در ده‌ها کیلومتر در بالای سطح (ترموسفر) رخ می‌دهد و هیچ خطری برای زندگی انسان‌ها در پایین ایجاد نمی‌کند. شفق‌های قطبی نمایش‌ نوری های زیبایی هستند که شبیه پرده‌هایی سوسوزننده یا خوشه‌هایی با نورهای رنگی متفاوت میباشند. رنگ‌های ارغوانی توسط مولکول‌های نیتروژن در بخش پایینی شفق قطبی (تا ۱۰۰ کیلومتر در بالای سطح) تولید می‌شوند، یعنی بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلومتر در بالای سطح، اتم‌های اکسیژنِ برانگیخته رنگ‌های سبز و اتم‌های نیتروژنِ یونیزه رنگ‌های آبی را تولید می‌کنند و در سطح بالای ۲۰۰ کیلومتر، اتم‌های اکسیژن رنگ‌های قرمز پررنگ را تولید می‌کنند.

در نیمکره‌ی شمالی، به شفق‌های قطبی «نورهای شمالی» نیز می گویند و در نیمکره‌ی جنوبی، به آنها «نورهای جنوبی» می گویند. گاهی‌اوقات به نظر می‌رسد شفق قطبی با انفجاری از فعالیت رنگ‌های قرمز، سفید و بنفش نمایان می‌شود. این اتفاق زمانی می‌افتد که خطوط میدان مغناطیسی فشرده یا خمیده شده در یک سوم مسیر ماه به یکدیگر فشرده شده و دوباره متصل می‌شوند. این کار باعث می‌شود یک انفجار غول‌پیکر به سمت زمین به جو فوقانی برخورد کند و فوران شفق قطبی را ایجاد کند. صفحه‌ی مرکز پرواز فضایی گودارد «چرا شفق قطبی فوران می‌کند» یک انیمیشن زیبا از این پدیده نشان می‎‌دهد.

نظریۀ دینام مغناطیسی

سیارات در هسته‌شان فاقد آهنرباهای میله‌ای هستند، بنابراین چه چیزی میدان مغناطیسی را تولید می‌کند؟ یک میدان مغناطیسی با چرخش بارهای الکتریکی تولید می‌کند. این نظریه تحت عنوان نظریه‌ی دینام مغناطیسی بیان می‌کند که میدان مغناطیسی با حرکات چرخشی یک مادۀ رسانای مایع در درون سیارات تولید می‌کند. موادی که می‌توانند رسانایی داشته باشند دارای بار الکتریکی هستند که به آزادی حرکت می‌کنند. چنین موادی «فلزی» نامیده می‌شوند و ضرورتأ جامداتی درخشان مثل مس، آلومینیوم یا آهن نیستند.

مشتری و زحل دارای مقدار زیادی هیدروژن هستند که به حدی فشرده شده‌اند که یک مایع را تشکیل می‎‌دهند. مقداری از این هیدروژن مایع در حالتی قرار دارد که برخی از الکترون‌ها از اتم‌ها جدا شده و به آزادی حرکت می‌کنند. یک بارِ متحرک در واقع یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. این ماده‌ی رسانای مایع در درون سیاره در صورتی گردش می‌کند که سیاره به اندازۀ کافی سریع بچرخد. هرچه سیاره سریع‌تر حرکت کند، ماده‌ی بیشتری مخلوط می‌شود و بنابراین میدان مغناطیسی ِ حاصل قوی‌تر خواهد بود.

اگر درون مایع سیاره جامد شود یا اگر چرخش کُند شود، میدان مغناطیسی تضعیف می‌شود. بنابراین، به طور خلاصه، چیزهایی که یک سیاره برای تولید یک میدان مغناطیسی قوی نیاز دارد عبارتند از: ۱- یک مرکز (فلزی) رسانای مایع و ۲- چرخش سریع برای حرکت ماده‌ی رسانا.

برای سیارات سنگی، تکتونیک صفحه‌ای نیز نقش دارد. تکتونیک صفحه‌ای گوشتۀ سیاره را خنک می‌کند و یک اختلاف دمای زیاد بین مرکز و گوشته ایجاد می‌کند تا همرفت لازم برای یک میدان مغناطیسی را در مرکز فلزی تولید کند. اکنون ملاحظه می‌کنید که این نظریه چگونه حضور یا عدم حضور یک میدان مغناطیسی در برخی از سیارات را توضیح می‌دهد:

۱-سیاره ناهید فاقد میدان مغناطیسی است (یا میدان مغناطیسی آن به حدی ضعیف است که تاکنون کشف نشده است). این سیاره احتمالأ به دو دلیل یک مرز رسانای مایع دارد:

(الف) از آنجاییکه ناهید تقریبأ به اندازۀ زمین است، درون آن هنوز باید خیلی گرم باشد. سیارات بزرگتر حرارت خود را در اثر تشکیل و تجزیه‎ی رادیواکتیو آهسته‌تر از سیارات کوچک از دست می‌دهند. سیاره‌ای که حجمش از یک سیارۀ دیگر بیشتر است اما ترکیب‌بندی یکسانی دارد با منبع بزرگتری از انرژی آغاز می‌شود. بعلاوه، حرارت در مرکز یک سیارۀ بزرگ مسافت بیشتری را طی می‌کند تا به سطح سیاره و فضای خارجی ِ سرد آن برسد.

سرعت اتلاف حرارت با افزایش مساحت سطح بالا می رود. یک سیاره با مساحت سطح بالاتر از یک سیارۀ دیگر با دمای درونی یکسان سرعت اتلاف حرارت بیشتری خواهد داشت. مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک سیاره خنک شود به مجموع مقدار حرارت ذخیره شده/سرعت اتلاف حرارت (یا حجم آن)/(مساحت سطح آن) بستگی دارد. حجم با قطر۳ بیشتر می‌شود در این صورت مساحت سطح فقط با قطر۲ بیشتر می‌شود، بنابراین زمان خنک شدن سیاره بصورت قطر۳/قطر۲=قطر افزایش پیدا می‌کند. اگرچه سرعت اتلاف حرارت بیشتر است، یک سیاره‌ی بزرگتر دارای مقدار انرژی ذخیره شده‌ی خیلی بیشتری است و در نتیجه خنک شدن آن بیشتر از یک سیاره‌ی کوچکتر طول می‌کشد. ناهید باید یک هستۀ آهن/نیکل داشته باشد که هنوز شبیه هسته‌ی زمین مایع است.

(ب) عکسبرداری رادار با قدرت تفکیک بالا از سطح ونوس توسط سفینه فضایی ماژلان چند محل را نشان می‌دهد که در آنجا آتشفشان‌ها اخیرأ فوران کرده‌اند و جریانات گدازه‌ی بزرگی را تولید کرده‌اند. عکسبرداری فروسرخ اخیر از سطح ونوس توسط فضاپیمای اکسپرس ونوس موادی را نشان می‌دهد که به تازگی از برخی از آتشفشان‌ها بیرون زده شده‌اند، بنابراین ونوس هنوز فعال است.

علت اینکه ناهید فاقد یک میدان مغناطیسی است، این است که به آهستگی گردش می‌کند (تقریبأ هر ۲۴۳ روز زمینی یکبار!) و فاقد همرفت در هستۀ مایع است (احتمالأ به دلیل کمبود تکتونیک صفحه‌ای برای نیم میلیارد سال گذشته).

۲-مریخ دارای یک میدان مغناطیسی به شدت ضعیف است. مریخ تقریبأ برابر با نصف قطر زمین است و حدود یک دهم جرم زمین را دارا است، بنابراین حرارت درونی‌اش باید مدت‌ها پیش در فضا ناپدید می‌شد. بنابراین، اگرچه مریخ با سرعت گردش می‌کند (یکبار در هر ۲۴٫۶ ساعت)، هسته‌ی فلزی‌اش غالبأ جامد است – بارها قادر به چرخش نیستند.

یک نقشه‌ی میدان گرانشی اخیر نشان می‌دهد که مریخ دارای یک هستۀ خارج مایع از سنگ‌های گداخته است. پوستۀ مریخ احتمالأ برا رخداد تکتونیک صفحه‌ای خیلی ضخیم است، حتی اگر هسته خنک نشود.

۳-زمین دارای یک میدان مغناطیسی قوی است، زیرا به سرعت می‌چرخد (یکبار در هر ۲۳٫۹۳ ساعت)، دارای یک هستۀ رسانای مایع متشکل از آهن-نیکل مایع است و همچنین دارای تکتونیک صفحه‌ای است.

۴-مشتری دارای یک میدان مغناطیسی غول‌پیکر است. مشتری دارای مقدار زیادی هیدروژن است که به شدت فشرده شده‌اند تا یک مایع عجیب به نام هیدروژن فلزی مایع را تشکیل دهند. این ماده بر روی زمین تشکیل نمی‌شود زیرا فشارهای فوق‌ شدیدی که برای کندن برخی از الکترون‌ها از الکترون مایع نیازند قابل تولید نیستند. مشتری نیز با سرعت خیلی زیادی می‌چرخد – یک چرخش در زیر ۱۰ ساعت!

میدان مغناطیسی مشتری به قدری بزرگ است که از روی زمین دارای اندازۀ زاویه‌ای چهار برابر اندازۀ ماه است. یکی از اولین منابع رادیوییِ کشف شده در فضا «مشتری» بوده است. ذرات باردار در کمربندهای تابش مشتری که توسط باد خورشیدی انرژی پیدا می‌کنند به دور خطوط میدان مغناطیسی می‌چرخند تا تابش الکترومغناطیسی را در رشته‌های فرکانس مختلف تولید کنند. برای مشتری، مقدار زیادی از این انرژی به شکل رادیو می‌باشد. به علاوه، یک لوله شار از جریان الکتریکی به اندازۀ میلیون‌ها آمپر بین مشتری و قمر ژئولوژیکی فعال آن یعنی آیو وجود دارد.

همانطور که در بخش قمرهای مشتری توصیف شد، آیو دارای آتشفشان‌هایی است که همیشه در حال فوران هستند. ذرات در کمربندهای تابش مشتری با ذرات غباری آتشفشانی برخورد کرده و آنها را باردار می‌کنند و به کمربندهای تابش می‌افزایند. ذرات بارداری که به طرف جلو و عقب جریان دارند شفق‌های قطبی بزرگتر از کل سیارۀ زمین ایجاد می‌کنند. فضاپیمایی که به مشتری فرستاده شده باید در برابر تابش محافظت شود تا از دستگاه‌های الکترونیکی‌اش در برابر ذرات باردار در کمربندهای تابش مشتری محافظت کند.

۵-عطارد کمی هیجان‌انگیز است زیرا میدان مغناطیسی ضعیفی دارد. عطارد کوچکترین سیاره‌ی زمینی است، بنابراین درون آن باید مدت‌ها پیش خنک شده باشد. همچنین، عطارد به آهستگی می‌چرخد – یکبار در هر ۵۸٫۵ روز. تراکم بالای عطارد به ما می‌گوید که این سیاره دارای یک هسته‌ آهن-نیکل بزرگ است. میدان مغناطیسی آن حاکی از آن است که درون عطارد تا حدی ذوب شده است. در میانه‌ی سال ۲۰۰۷، اخترشناسان شواهد جداگانه‌ای را به نفع هستۀ گداخته‌ی عطارد اعلام کردند. آنها با استفاده از مشاهدات بسیار دقیق چرخش عطارد کشف کردند که هسته‌ی عطارد نباید جامد باشد.

موقعیت عطارد یک چالش بزرگ برای نظریه‌ دینام مغناطیسی بود. در یک وضعیت علمی حقیقی، این نظریه یک پیش‌بینی قابل آزمایش انجام داد: عطارد نباید دارای میدان مغناطیسی باشد یا میدان مغناطیسی آن باید کوچکتر از میدان مغناطیسی عطارد باشد زیرا هسته‌اش باید جامد باشد. مشاهده که قضاوت آخر یک حقیقت علمی است با پیش‌بینیِ انجام شده مغایرت داشت. آیا باید نظریۀ دینام مغناطیسی را کنار بگذاریم؟ اخترشناسان تمایلی به ردِ کامل این نظریه نداشتند زیرا با موفقیت توانسته بود موقعیت را در سیارات دیگر توضیح دهد و هیچ نظریه‌ی محتمل دیگری نیز وجود نداشت.

بنابراین بیشتر اخترشناسان یک مسیر محافظه‌کارانه‌تر را پیش گرفتند: اصلاح نظریۀ دینام یا بررسی دقیق‌تر عطارد برای اینکه کشف کنند چه چیز غیرعادی در درون عطارد وجود دارد که علی‌رغم پیش‌بینی‌های صورت گرفته یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. آیا عدم تمایل آنها یک نوع نقض عینیتِ لازم در علم است؟ شاید، اما تجربه‌ی گذشته به ما یاد داده که وقتی با چنین تناقضی مواجه می‌شویم، طبیعت به ما می‌گوید که یک چیز را فراموش کرده‌ایم یا یک فرآیند حیاتی را نادیده گرفته‌ایم.

مأموریت مسنجر وجود یک هسته‌ی مایع در عطارد را با ردیابی دقیق حرکت این فضاپیما در میدان گرانشی عطارد تأیید کرد. داده‌های بدست آمده از چرخش عطارد و اندازه‌گیری‌های میدان گرانشی آن بخشی از این مشکل را حل کردند (بخشی از هسته ذوب شده است)، اما هسته چگونه صرف نظر از اندازه‌ی کوچک عطارد در حالت گداخته و همرفتی باقی مانده است؟ مسنجر همچنین کشف کرد که میدان مغناطیسی به اندازه‌ی تقریبأ ۲۰% شعاع عطارد به سمت قطب شمال انحراف پیدا کرده است. این انحراف نشان می‌دهد که دینام عطارد در نزدیکی مرکز گوشته-هسته ساخته شده است.

یک مثال دیگر از این مسیر محافظه‌کار کشف سیارۀ نپتون است. وقتی سیاره‌ دوقلوی آن یعنی اورانوس کشف شد، ستاره‌شناسان به نظریه‌ی گرانش نیوتن خیلی اعتماد داشتند زیرا به مدت بیش از صد سال توانسته بود حرکات اشیاء زیادی را با موفقیت توضیح دهد. بنابراین، آنها نظریه‌ی پرانش نیوتن را برای مدار اورانوس بکار بردند. هرچند، پس از چندین دهه مشاهده‌ی اورانوس، مدار پیش‌بینی شده با مدار مشاهده شده تفاوت چشمگیریی داشت. اخترشناسان بجای اینکه نظریۀ گرانش نیوتن را رد کنند، از این تناقض برای پیش‌بینی حضور یک سیارۀ دیگر دورتر از اورانوس استفاده کردند. ظرف چند سال، نپتون در موقعیت پیش‌بینی شده کشف شد! آیا ممکن است همین اتفاق برای نظریه‌ دینام مغناطیسی و میدان مغناطیسی عطارد بیفتد؟ شاید. یک چیز قطعی است، دانشمندان معما را خیلی دوست دارند و به سختی کار می‌کنند تا آن را حل کنند.

۶- اگرچه میدان مغناطیسی زحل به بزرگی میدان مغناطیسی مشتری نیست، اما قدرت آن ۵۷۸ برابر میدان مغناطیسی زمین است. زحل، حلقه های آن و بسیاری از ماهواره هایش کاملاً در درون کره مغناطیسی بزرگ این سیاره قرار دارند. منظور از کره مغناطیسی، ناحیه ای در فضاست که رفتار ذرات باردار الکتریکی در آن، بیشتر از میدان مغناطیسی زحل اثر می پذیرد تا بادهای خورشیدی. تصاویر تلسکوپ فضایی هابل نشان می دهند شفق‌های قطبی زحل، مشابه شفق‌های قطبی زمین است.

برای اولین‌بار فضاپیمای ویجر در دهۀ ۱۹۸۰ از کنار این سیاره عبور کرد و مطابق روش بالا طول یک دور چرخش میدان مغناطیسی زحل را محاسبه کرد. فضاپیمای کاسینی به تازگی همین فاکتور را محاسبه کرده است. محاسبات دانشمندان نشان میدهد که مدت زمان چرخش میدان مغناطیسی زحل ۶ دقیقه زیاد شده است. دانشمندان احتمال میدهند وجود انسلادوس قمر یخی زحل باعث می شود تا روش بالا برای زحل کارآمد نباشد. تازه‌ترین بررسی‌ها نشان می دهد تکه‌های یخی که توسط آبفشان‌های انسلادوس تولید می شود از این سیاره فرار کرده و شکل حلقوی وارد مدار زحل می شود. این تکه‌های یخ از لحاظ الکتریکی باردار می شوند و میدان مغناطیسی زحل را تحت تاثیر قرار میدهند.