Planetariske magnetfelter, er dannet af bevægelsen af elektrisk ledende væsker. Dybt inde i en planets indre. På Jupiter og Saturn, dannes magnetfelterne dybt begravet i et lag af metallisk hydrogen. På Uranus og Neptun, opstår de magnetiske felter i salte oceaner. Geometrien af de magnetiske felter på kæmpeplaneterne, kan illustreres skematisk, som om de kom fra stangmagneter inde i planeternes indre (se figur 9.18). Alle kæmpeplaneterne har magnetfelter, der er meget stærkere end Jordens.
Jupiters magnetiske akse, hælder 10º i forhold til dens rotationsakse – en orientering svarende til Jordens – men den forskydes omkring en tiendedel af en radius fra planetens centrum (se figur 9.18a). Bemærk, at retningen af Jupiters magnetfelt, er modsat den af Jordens magnetfelt, der er defineret af, hvor den nordlige ende af et kompas vil pege mod. Den samlede styrke af Jupiters magnetfelt, er næsten 20.000 gange Jordens magnetfelt. Jupiter er imidlertid enorm, i forhold til Jorden. Når Jupiters magnetfelt kommer igennem skytoppene, er feltet faldet til cirka 4,3 gauss – kun 15 gange magnetfeltet ved Jordens overflade (styrken af magnetfelter, måles ofte i gauss, opkaldt efter den tyske matematiker og videnskabsmand Carl Friedrich Gauss [1777-1855]).
Stangmagneten, der bruges til at simulere Saturns magnetfelt, er planeret næsten præcis i centrum af Saturn, og er næsten perfekt justeret til planetens rotationsakse (se figur 9.18b). Saturns magnetfelt er meget svagere end Jupiters, men generelt er det stadig mere end 500 gange stærkere end Jordens. Fordi Saturns diameter er meget større end Jorden, er magnetfeltstyrken ved skytoppene cirka 0,5 gauss – omtrent det samme som styrken af Jordens magnetfelt ved jordoverfladen. Som på Jupiter, ville en kompasnål, pege mod syd på Saturn.
Voyager 2 målte, at Uranus’ magnetiske feltakse, er forskudt næsten 60º i forhold til dens rotationsakse, og dets centrum, forskydes med en tredjedel af en radius fra planetens centrum (se figur 9.18c). I betragtning af Uranus’ specielle rotationsorientering, kom denne observation ikke som nogen overraskelse. Feltets samlede styrke, er gennemsnitlig 50 gange Jordens magnetfelt, men den store forskydning af Uranus’ magnetfelt fra planetens centrum bevirker, at feltets styrke variere mellem 0,1 og 1,1 gauss.
Den virkelig store overraskelse kom da Voyager 2 besøgte Neptun. Orienteringen af Neptuns rotationsakse, svarer til Jordens, Mars og Saturn. Men Neptuns magnetiske akse, er forskudt 47º i forhold til dens rotationsakse, og midten af magnetfeltet, forskydes fra planetens centrum, med mere end halvdelen af planetens radius – en forskydning der er endnu større end den på Uranus (se figur 9.18d). Feltet er fortrinsvis forskudt mod Neptuns sydlige halvkugle, og skaber derved en stor asymmetri i feltstyrken ved skytoppene, der variere fra 1,2 gauss på den sydlige halvkugle og kun 0,06 gauss mod nord. Den samlede styrke af Neptuns magnetfelt, er kun halvt så stor som Uranus’.
Årsagerne til de usædvanlige geometrier af Uranus’ og Neptuns magnetfelter er usikre, men de er tydeligvis ikke relateret til deres rotationsakser.
Kæmpeplaneterne har enorme magnetosfærer
Ligesom Jordens magnetosfære fanger energiske ladede partikler for at danne Jordens magnetosfære, fanger kæmpeplaneternes magnetiske felter også energiske partikler, og danner deres egen magnetosfære. Jordens magnetosfære er lille i sammenligning med de store skyer af plasma, der holdes sammen af de meget kraftige magnetfelter hos kæmpeplaneterne. Langt den største af disse magnetosfærer, er Jupiters. Dens radius er så meget som 100 gange planeten selv, eller omtrent 10 gange Solens radius. Selvom magnetosfærerne for de andre kæmpeplaneter er meget mindre, danner selv de relativt svage magnetfelter på Uranus og Neptun, magnetosfærer der i størrelse, er sammenlignelige med størrelsen på Solen.
Solvinden, gør mere end at levere nogle af partiklerne til magnetosfæren. Trykket fra solvinden skubber også på, og komprimerer magnetosfæren. Størrelsen og formen af en planets magnetosfære kan ændre sig meget, afhængig af hvordan solvinden blæser på et bestemt tidspunkt. Planeters magnetfelter, afbøjer også solvinden, som strømmer rundt om magnetosfærerne på samme måde som vand strømmer omkring en klippeblok. Ligesom en klippeblok i en flod, skaber et kølvand der stærkker sig ned af strømmen (se figur 9.19a), skaber en planets magnetosfære et kølvand, der kan strække sig over store afstande. Jupiters magnetosfæres kølvand (se figur 9.19b), strækker sig mere end 6 astronomiske enheder (AU) væk fra planeten – godt forbi Saturns bane. Jupiters magnetosfære, er det største permanente ”objekt” i Solsystemet, der kun i størrelse overhales af størrelsen af halen på lejlighedsvise kometer. De magnetiske kølvande for Uranus og Neptun har en underlig stuktur. På grund af deres hældning og den store forskydning i deres magnetfelter fra disse planeters centrummer, slingrer disse planeters magnetosfærer som de roterer. Denne slingren, forårsager at magnetosfærernes kølvande vrider sig som en proptrækker, som de strækker sig væk fra planeterne.
Magnetosfærer producerer synkrotronstråling
Beviser for kæmpeplaneternes magnetosfærer, kommer fra rumsonder i det ydre Solsystem, fra teleskoper der kredser om Jorden, og fra radioemissioner modtaget på Jorden. Hurtigt bevægende elektroner i planeternes magnetosfærer, farer rundt i spiraler rundt om magnetfeltets retning, og som de gør det, udsender de synkrotronstråling som beskrevet i Grundlæggende viden 9.1. Hvis dine øjne var følsomme over for radiobølger, ville de andet mest lysende objekt på himlen, være Jupiters magnetosfære. Solen ville stadig være mere lysstærk, men den ville ikke synes større end Jupiters magnetosfære; selv med en afstand fra Jorden på 4,2 til 6,2 AU, ville Jupiters magnetosfære synes omtrent dobbelt så stor som Solen på himlen. Saturns magnetosfære, ville også være stor nok til at kunne ses, men den ville være meget svagere end Jupiters. Selv om Saturn har et stærkt magnetfelt, fungerer stykkerne af klippe, is og støv i Saturns spektakulære ringe som svampe, så de magnetosfæriske partikler ville blive opslugt, kort tid efter disse partikler kom ind i magnetosfæren. Med langt færre magnetosfæriske elektroner, er der meget mindre radioemission fra Saturn.
Forskere kan lære meget om planeter, ved at studere synkrotronstrålingen fra deres magnetosfærer. For eksempel angiver præcise målinger af de periodiske variationer i radiosignalerne ”udsendt” af kæmpeplaneterne, deres sande rotationsperioder. Det magnetiske felt på hver planet, er låst fast til de ledende flydende lag, dybt inde i planeternes indre, så magnetfeltet roterer med nøjagtig samme periode, som det dybe indre af planeten. I betragtning af de hurtige og stærkt variable vinde, der skubber rundt på skyerne i kæmpeplaneternes atmosfærer, er måling af radioemission den eneste måde at bestemme de egentlige rotationsperioder for kæmpeplaneterne.
Strålingsbælter og auroraer
Når en planet roterer om sin akse, trækker den sin magnetosfære rundt med sig. I den enorme magnetosfære af en hurtigt roterende planet som Jupiter, bliver ladede partikler fejet rundt med høje hastigheder. Disse hurtigt bevægende ladede partikler, kolliderer med neutrale atomer (som ikke deler bevægelsen af materialet i magnetosfæren), og den energi der frigives i disse højhastighedskollisioner, opvarmer plasmaet til ekstreme temperaturer (husk fra kapitel 8, at plasma er en gas bestående af elektrisk ladede partikler). I 1976, stødte Voyager 1 på en region af ujævn plasma, med en temperatur på over 300 millioner K, mere end 20 gange temperaturen i Solens midte, mens den passerede Jupiters magnetosfære (plasmaets tæthed – cirka 10.000 atomer per kubikmeter – var meget lavere end det bedste vakuum, der kan produceret på Jorden, så rumsonden var ikke i nogen reel fare).
Ladede partikler, der er fanget i planeters magnetosfærer, er koncentreret i strålingsbælter. Selvom Jordens strålingsbælter er alvorlige nok til at astronauter bekymrer sig om dem, er de strålingsbælter der omgiver Jupiter meget voldsommere til sammenligning. I 1973 passerede Pioneer 11 rumsonden gennem Jupiters strålingsbælter. Under sit korte møde, modtog Pioneer 11 en strålingsdosis på 400.000 rad, eller cirka 1.000 gange den dødelige dosis for mennesker. Flere af instrumenterne om bord blev permanent beskadiget, som følge af mødet, og rumsonden selv, overlevede knapt mødet, før den fortsatte mod Saturn.
Foruden protoner og elektroner fra Solvinden, indeholder magnetosfærerne for kæmpeplaneterne store mængder forskellige grundstoffer, herunder natrium, svovl, oxygen, nitrogen og kulstof. Disse grundstoffer kommer fra flere forskellige kilder, herunder planeternes udvidede atmosfærer og fra månerne der kredser i de udvidede atmosfærer. Det mest intense strålingsbælte i Solsystemet er en torus (en donutformet ring) af plasma der er forbundet med Io, den inderste af Jupiters fire galileanske måner. Som vi vil se på mere detaljeret i kapitel 10, er Io det mest vulkansk aktive objekt i Solsystemet. På grund af dens lave overfladetyngdekraft og voldsomheden i dens vulkanisme, kan nogle af de gasser der bryder ud fra Ios indre, helt forlade Io og blive en del af Jupiters strålingsbælte. Som ladede partikler kolliderer med månen, ved Jupiters magnetosfæres rotation, bliver endnu mere materiale slået løs fra overfladen og bliver udsendt i rummet. Hvis de løsslåede atomer er elektrisk neutrale, vil de fortsætte med at omkredse planeten i næsten samme kredsløb som månen, hvorfra de blev udsendt. Billeder af regionen omkring Jupiter, taget i lyset af emissionslinjer fra atomer af svovl eller natrium, viser en svagt lysende torus af plasma leveret af Io (se figur 9.21). Andre måner påvirker også magnetosfærerne på de planeter hvorom de kredser. Cassini fandt ud af, at Saturn-månen Enceladus, lækker ioniserede molekyler, herunder nitrogen, vanddamp og iskrystaller, fra dens iskolde gejsere, og tilvejebringer dermed det meste af plasma-torussen i Saturns magnetosfære.
Ladede partikler flyver i spiraler, langs kæmpeplaneternes magnetfeltlinjer, og hopper frem og tilbage mellem hver planets to magnetiske poler, ligesom de gør omkring Jorden. Som det er tilfældet med Jorden, kolliderer disse energiske partikler med atomer og molekyler, og banker dem op i exciterede energitilstande, der falder tilbage og udsender stråling. Resultaterne er lysende aurorale ringe, der omgiver kæmpeplaneternes poler (se figur 9.22) – ligesom Aurora Borealis og Aurora Australis, omringer Jordens nordlige og sydlige magnetiske poler.
Jupiters auroraer, har dog en tilføjet struktur, der ikke ses på Jorden. Som Jupiters magnetfelt fejer forbi Io, genererer det et elektrisk potentiale på 400.000 volt (V). Dette potentiale accelererer elektroner, hvilket får dem til at fare omkring Jupiters magnetfeltlinjer i spiraler. Resultatet er en magnetisk kanal, kaldet et fluxrør, der forbinder Io med Jupiters atmosfære, nær planetens magnetiske poler (se figur 9.23). Ios fluxrør, bærer en strøm der er svarende til den samlede effekt, produceret af alle Jordens el-producerende kraftværker. Meget af strømmen, som genereres i fluxrøret, stråles bort som radioenergi. Disse radiosignaler, modtages på Jorden som intense udbrud af Synkrotronstråling. Imidlertid, deponeres en væsentlig del af partiklernes energi i fluxrøret, også i Jupiters atmosfære. På selve stedet, hvor Ios fluxrør rammer Jupiters atmosfære, er der en plet med intens auroral aktivitet. Efterhånden som Jupiter roterer, efterlader denne plet et auroralt spor i Jupiters atmosfære. Aftrykket af Ios plasmatorus, sammen med dets kølvand, ses uden for den aurorale ring i figur 9.22a.
