Pola magnetyczne planet

Zagadnienie pól magnetycznych planet to jeden z wielu absolutnie fascynujących tematów w astronomii. Byliśmy na powierzchni Księżyca, 380 tysięcy kilometrów od Ziemi. Ale jeśli idzie o jądro naszej planety to prawdopodobnie nikt nie był bliżej niż polarnicy. O ile Głębia Challengera sięga 11 kilometrów pod poziomem morza, to jest ona blisko równika. Tymczasem z racji na spłaszczenie Ziemi promień na biegunach jest aż 22 kilometry krótszy niż na równiku.

Wielu rzeczy o naszym polu magnetycznym nie wiemy, ale mamy bardzo mocne podstawy by sądzić, że jest kluczowe dla życia na Ziemi i gdyby nagle go zabrakło bylibyśmy w tarapatach. Dlatego rozważania na temat planet pozasłonecznych w kontekście szans na życie często dotykają tego tematu. Szczególnie biorąc pod uwagę, że większość gwiazd we wszechświecie stanowią czerwone karły - to mniejsze i chłodniejsze gwiazdy od naszego Słońca. Planety na których może istnieć woda w stanie ciekłym muszą zatem znajdować się na stosunkowo bliskich orbitach takich gwiazd. To rodzi pytania o to czy są w stanie utrzymać atmosfery. W przeciwieństwie do Ziemi, wiele z tych planet jest raczonych rozbłyskami czerwonych karłów, ponadto spora ich część może być zwróconych zawsze tą samą stroną do gwiazdy - tak jak Księżyc w stosunku do Ziemi.

Obecnie dominuje przekonanie, że to metaliczne, wirujące jądro Ziemi (obracające się ciutkę szybciej niż nasza planeta jako całość) wywołuje efekt dynama - ruchy konwekcyjne na granicy tegoż jądra z płaszczem planety generują pole magnetyczne, które daje nam ochronę przed niektórymi nieprzyjemnościami z kosmosu. Dlatego warto przyjrzeć się temu jak wygląda kwestia pól magnetycznych w układzie słonecznym.

Zacznijmy od Merkurego. Jeszcze sto lat temu sądzono, że Merkurego cechuje obrót synchroniczny (że jest zawsze zwrócony tą samą stroną do Słońca), ale okazało się, że kręci się on wokół własnej osi, choć bardzo wolno. Na każde dwa okrążenia wokół Słońca wykonuje on trzy obroty. Jak wykazały badania Marinera 10 w latach 70, Merkury ma pole magnetyczne. Stukrotnie słabsze od Ziemskiego, ale ma. Przy trwającej dwa ziemskie miesiące dobie to chyba i tak nieźle, bo naukowcy sądzą, że tu również za obecność pola magnetycznego odpowiada efekt dynamo. Jednakże w tej odległości od Słońca to zbyt mało by utrzymać atmosferę. Gdybyśmy zabrali kompas na Merkurego, to byłyby spore szanse, że mocniej zareaguje na pole magnetyczne gwiazdy niż planety.

Wenus jest wielką zagadką. Nie posiada pola magnetycznego. Obraca się bardzo, bardzo powoli (243 dni na obrót) i być może w kierunku odwrotnym do pozostałych planet w układzie słonecznym. “Być może” bo wiodąca hipoteza głosi, że odchylenie jej osi obrotu nie wynosi 2,6 pół stopnia ale raczej, ale 177,4 stopnia. Wiemy, że zupełnie jak wirujące bąki, planety wychylają na swoich orbitach. Wenus może być tego ekstremalnym przykładem. Alternatywne wyjaśnienie jest takie, że planetozymale (takie planetarne zarodki) z których powstała później Wenus mogły zderzyć się ze sobą w taki sposób, że powstały z kolizji obiekt obracał się w przeciwnym kierunku, który podtrzymała powstająca planeta. Kolejne mówi, że planeta mogła wpierw zwolnić “normalny” obrót a potem zacząć obracać się w przeciwnym kierunku. Mogłoby to być skutkiem interakcji z polem magnetycznym słońca i ruchami pływowymi atmosfery.

No właśnie, atmosfery. Mimo braku pola magnetycznego, Wenus utrzymuje piekielnie gorącą i gęstą atmosferę. Wystarczającą, by mogła doświadczać ruchów pływowych niczym ziemskie oceany. W wypadku Wenus zachodzi proces indukowania magnetosfery przez uderzający w Wenus wiatr słoneczny. Może to był kolejnym źródłem nadziei dla planet czerwonych karłów.

Księżyc i Mars nie posiadają pola magnetycznego, ale badania wskazują na to, że kiedyś je posiadały. Co może być argumentem za teorią dynamo. Globy mniejsze i szybciej stygnące mają tendencję do szybszej utraty pola magnetycznego. W przypadku Marsa jedna półkula jest znacznie młodsza, prawdopodobnie zniszczona przez katastrofalną kolizję. Gdy zastygła Mars nie miał już pola magnetycznego, dlatego tamtejsze skały nie posiadają “odcisków” takich jakie widzimy m.in. na dnie ziemskich oceanów. Południowa półkula jednak posiada skały powstały w obecności wyraźnego pola magnetycznego.

Król planet jest również królem pól magnetycznych. Sądzimy, że Jowisz też zawdzięcza swoje pole magnetyczne efektowi dynamo, z tą różnicą, że nie mówimy tu o żelaznym wirującym jądrze. Naukowcy uważają, że to wodór w jego wnętrzu pod wpływem niewyobrażalnego ciśnienia zyskuje właściwości metalu i to właśnie wirujący “metaliczny wodór” generuje potężne pole magnetyczne. Podobny efekt ma miejsce na Saturnie.

Jedynym księżycem w układzie słonecznym z własnym polem magnetycznym jest jowiszowy Ganimedes. Cechuje go obrót synchroniczny, ale przy okresie obiegu wokół Jowisza wynoszącym siedem dni, najprawdopodobniej i on ma ciekłe żelaziste jądro, wystarczające by efekt dynama generował pole trzykrotnie silniejsze od Merkurego.

Mamy mało danych co do Urana i Neptuna, ale to właśnie ich pola magnetyczne są dla mnie najbardziej fascynujące (może poza Wenus) i to one skłoniły mnie do napisania tej notki. W przypadku obu planet pole magnetyczne jest bardzo mocno odchylone względem osi obrotu planety - 59 stopni dla Urana i 47 stopni w przypadku Neptuna (Ziemskie pole magnetyczne jest odchylone od osi obrotu o zaledwie 12 stopni). Bardziej zdumiewa jednak, że centrum pola jest przesunięte względem centrum planet. W przypadku Urana może to być nawet o jedną trzecią jej promienia. Jaki materiał w tych planetach może być cieczą i być dobrym przewodnikiem? W przypadku obu lodowych olbrzymów prawdopodobnie może być to miażdżona wielkim ciśnieniem woda. Rozpada się na jone H+ i OH-, które mogą przenosić ładunki elektryczne i generować prąd. Po raz kolejny mamy efekt dynama, tym razem jednak generowany ponad jądrem. Ten układ sprawia, że Uran może mieć więcej niż dwa bieguny magnetyczne.

I to by było na tyle. Za Neptunem nie wykryto (jeszcze) prawdziwych planet, więc tu wypada zakończyć ten tekst. Miłego dnia i trzymamy kciuki za lot prototypu Starshipa SN10 dziś wieczorem.


Źródła:
Venus spins backwards, but why?
A magnetic surprise from Venus
A Field Guide to the Magnetic Solar System
The Magnetic Fields of Our Solar System