الغلاف المغناطيسي لزحل

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة

الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل هو التجويف الذي يتشكل في تدفق الرياح الشمسية بفعل المجال المغناطيسي المتولد داخليًا للكوكب . اكتُشف الغلاف المغناطيسي لزحل عام 1979 بواسطة المركبة الفضائية بايونير 11 ، وهو ثاني أكبر غلاف مغناطيسي لأي كوكب في المجموعة الشمسية بعد غلاف المشتري . يقع الغلاف المغناطيسي الخارجي ، وهو الحد الفاصل بين الغلاف المغناطيسي لزحل والرياح الشمسية، على مسافة تعادل حوالي 20 ضعف نصف قطر زحل من مركز الكوكب، بينما يمتد ذيله المغناطيسي لمئات أضعاف نصف قطر زحل خلفه.

يمتلئ الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل بالبلازما المنبعثة من الكوكب وأقماره. المصدر الرئيسي هو القمر الصغير إنسيلادوس ، الذي يقذف ما يصل إلى 1000  كيلوغرام/ثانية من بخار الماء من ينابيعه الحارة عند قطبه الجنوبي، ويتأين جزء منه ويُجبر على الدوران بالتزامن مع المجال المغناطيسي لزحل. يؤدي هذا إلى تحميل المجال بما يصل إلى 100 كيلوغرام من أيونات  مجموعة الماء في الثانية. تتحرك هذه البلازما تدريجيًا من الغلاف المغناطيسي الداخلي عبر آلية عدم استقرار التبادل ، ثم تخرج عبر ذيل الغلاف المغناطيسي.

يُنتج التفاعل بين الغلاف المغناطيسي لزحل والرياح الشمسية شفقًا بيضاويًا ساطعًا حول قطبي الكوكب، يُرصد في الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية . يرتبط هذا الشفق بالإشعاع الكيلومتري الزحلي القوي (SKR)، الذي يمتد نطاق تردده بين 100  كيلوهرتز و1300 كيلوهرتز ، وكان يُعتقد سابقًا أنه يتغير دوريًا بفترة تساوي دوران الكوكب. مع ذلك، أظهرت قياسات لاحقة أن دورية تغير الإشعاع الكيلومتري الزحلي تتفاوت بنسبة تصل إلى 1%، وبالتالي فمن المحتمل ألا تتطابق تمامًا مع فترة دوران زحل الحقيقية، التي لا تزال مجهولة حتى عام 2010. يوجد داخل الغلاف المغناطيسي أحزمة إشعاعية تحتوي على جسيمات ذات طاقة تصل إلى عشرات الميغا إلكترون فولت . لهذه الجسيمات النشطة تأثير كبير على أسطح الأقمار الجليدية الداخلية لزحل . 

في الفترة ما بين عامي 1980 و1981، دُرست الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل بواسطة المركبة الفضائية فوياجر . وحتى سبتمبر 2017، كان موضوعًا لبحث مستمر من قبل مهمة كاسيني ، التي وصلت في عام 2004 وقضت أكثر من 13 عامًا في مراقبة الكوكب.

اكتشاف

مباشرةً بعد اكتشاف انبعاثات الراديو العشرية لكوكب المشتري عام 1955، بُذلت محاولات لرصد انبعاثات مماثلة من كوكب زحل، لكن النتائج لم تكن حاسمة. [ 9 ] وجاء أول دليل على احتمال وجود مجال مغناطيسي داخلي لكوكب زحل عام 1974، مع رصد انبعاثات راديوية ضعيفة من الكوكب بتردد حوالي 1  ميجاهرتز.

تم تعديل هذه الانبعاثات متوسطة الموجة بفترة زمنية تقارب 10 ساعات و30 دقيقة ، والتي فُسِّرت على أنها فترة دوران زحل . [ 10 ] ومع ذلك، كانت الأدلة المتاحة في سبعينيات القرن الماضي غير حاسمة، واعتقد بعض العلماء أن زحل قد يفتقر إلى مجال مغناطيسي تمامًا، بينما تكهن آخرون بأن الكوكب قد يقع وراء الغلاف الشمسي . [ 11 ] لم يتم رصد المجال المغناطيسي لزحل بشكل قاطع إلا في 1 سبتمبر 1979، عندما عبرته المركبة الفضائية بايونير 11 ، التي قاست شدة مجاله المغناطيسي مباشرة. [ 2 ]

بناء

الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل

المجال الداخلي

على غرار المجال المغناطيسي لكوكب المشتري ، يتولد المجال المغناطيسي لكوكب زحل بفعل دينامو سائل داخل طبقة من الهيدروجين المعدني السائل المتداول في نواته الخارجية. [ 1 ] ومثل الأرض، يتكون المجال المغناطيسي لزحل في معظمه من قطبين ، حيث يقع القطب الشمالي والقطب الجنوبي على طرفي محور مغناطيسي واحد. [ 12 ] على زحل، كما هو الحال على المشتري، يقع القطب المغناطيسي الشمالي في نصف الكرة الشمالي، بينما يقع القطب المغناطيسي الجنوبي في نصف الكرة الجنوبي، بحيث تشير خطوط المجال المغناطيسي بعيدًا عن القطب الشمالي ونحو القطب الجنوبي. وهذا معكوس مقارنةً بالأرض، حيث يقع القطب المغناطيسي الشمالي في نصف الكرة الجنوبي. [ 13 ] يحتوي المجال المغناطيسي لزحل أيضًا على مكونات رباعية الأقطاب وثمانية الأقطاب وما فوق، على الرغم من أنها أضعف بكثير من ثنائي القطب. [ 12 ]

تبلغ شدة المجال المغناطيسي عند خط استواء زحل حوالي 21 ميكروتسلا ( 0.21 غاوس )، وهو ما يعادل عزمًا مغناطيسيًا ثنائي القطب يبلغ حوالي 4.6 × 10¹⁸ تسلا.متر³ . [ 2 ] وهذا يجعل المجال المغناطيسي لزحل أضعف قليلًا من المجال المغناطيسي للأرض؛ ومع ذلك، فإن عزمه المغناطيسي أكبر بحوالي 580 مرة. [ 1 ] يتماشى ثنائي القطب المغناطيسي لزحل تمامًا مع محور دورانه، مما يعني أن المجال، بشكل فريد، متناظر محوريًا بدرجة عالية. [ 12 ] وينزاح ثنائي القطب قليلًا (بمقدار 0.037 R ثانية ) على طول محور دوران زحل باتجاه القطب الشمالي. [ 2 ]      

الحجم والشكل

يحرف المجال المغناطيسي الداخلي لكوكب زحل الرياح الشمسية ، وهي عبارة عن سيل من الجسيمات المتأينة المنبعثة من الشمس ، بعيدًا عن سطحه، مانعًا إياها من التفاعل المباشر مع غلافه الجوي، ومُنشئًا بدلًا من ذلك منطقة خاصة به تُسمى الغلاف المغناطيسي، تتكون من بلازما تختلف تمامًا عن بلازما الرياح الشمسية. [ 12 ] يُعد الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل ثاني أكبر غلاف مغناطيسي في النظام الشمسي بعد غلاف كوكب المشتري. [ 3 ]

كما هو الحال مع الغلاف المغناطيسي للأرض، يُطلق على الحد الفاصل بين بلازما الرياح الشمسية وبلازما الغلاف المغناطيسي لزحل اسم الغلاف المغناطيسي الخارجي . [ 2 ] تتفاوت مسافة الغلاف المغناطيسي الخارجي من مركز الكوكب عند النقطة تحت الشمسية [ ملاحظة 1 ] بشكل كبير، حيث تتراوح بين 16 و27  ضعف نصف قطر زحل الاستوائي (R = 60,330 كم). [ 14 ] [ 15 ] يعتمد موقع الغلاف المغناطيسي الخارجي على الضغط الذي تُمارسه الرياح الشمسية، والذي بدوره يعتمد على النشاط الشمسي . يبلغ متوسط ​​مسافة الغلاف المغناطيسي الخارجي حوالي 22 ضعف نصف قطر زحل الاستوائي . [ 6 ] أمام الغلاف المغناطيسي الخارجي (على مسافة حوالي 27 ضعف نصف قطر زحل الاستوائي من الكوكب) [ 6 ] تقع الصدمة القوسية ، وهي اضطراب يشبه أثر الرياح الشمسية ناتج عن اصطدامها بالغلاف المغناطيسي. تُسمى المنطقة الواقعة بين الصدمة القوسية والغلاف المغناطيسي الخارجي بالغلاف المغناطيسي الخارجي . [ 16 ]   

على الجانب المقابل من الكوكب، تعمل الرياح الشمسية على شد خطوط المجال المغناطيسي لزحل لتشكل ذيلًا مغناطيسيًا طويلًا ممتدًا ، [ 12 ] يتكون من فصين، حيث يشير المجال المغناطيسي في الفص الشمالي بعيدًا عن زحل، بينما يشير الفص الجنوبي نحوه. [ 16 ] يفصل بين الفصين طبقة رقيقة من البلازما تُسمى صفيحة تيار الذيل . [ 13 ] ومثل ذيل الأرض، يُعد ذيل زحل قناةً تدخل من خلالها البلازما الشمسية إلى المناطق الداخلية للغلاف المغناطيسي. [ 17 ] وعلى غرار كوكب المشتري، يُعد الذيل قناةً تخرج من خلالها البلازما ذات الأصل المغناطيسي الداخلي من الغلاف المغناطيسي. [ 17 ] وتسخن البلازما المتحركة من الذيل إلى الغلاف المغناطيسي الداخلي، مُشكلةً عددًا من أحزمة الإشعاع . [ 12 ]

المناطق المغناطيسية

بنية الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل

غالبًا ما يُقسّم الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل إلى أربع مناطق. [ 18 ] المنطقة الداخلية، المتاخمة لحلقات زحل الكوكبية ، والتي تقع ضمن مسافة تقارب 3  أضعاف نصف قطر زحل ، تتميز بمجال مغناطيسي ثنائي القطب. وهي خالية إلى حد كبير من البلازما، التي تمتصها جسيمات الحلقات، على الرغم من أن أحزمة إشعاع زحل تقع في هذه المنطقة الداخلية مباشرةً داخل الحلقات وخارجها. [ 18 ] المنطقة الثانية، الواقعة بين 3 و6 أضعاف  نصف قطر زحل، تحتوي على حلقة البلازما الباردة وتُسمى الغلاف المغناطيسي الداخلي. وهي تحتوي على أكثر البلازما كثافة في نظام زحل. تنشأ البلازما في هذه الحلقة من الأقمار الجليدية الداخلية، وخاصةً من إنسيلادوس . [ 18 ] المجال المغناطيسي في هذه المنطقة ثنائي القطب في الغالب أيضًا. [ 19 ] المنطقة الثالثة، الواقعة بين 6 و12-14 ضعف نصف قطر زحل ، تُسمى صفيحة البلازما الديناميكية والممتدة . يكون المجال المغناطيسي في هذه المنطقة ممتدًا وغير ثنائي القطب، [ 18 ] بينما تنحصر البلازما في طبقة رقيقة من البلازما الاستوائية . [ 19 ] تقع المنطقة الرابعة الخارجية على مسافة تزيد عن 15 ضعف نصف قطر الأرض عند خطوط العرض العليا، وتمتد حتى حدود الغلاف المغناطيسي. وتتميز بانخفاض كثافة البلازما ومجال مغناطيسي متغير وغير ثنائي القطب يتأثر بشدة بالرياح الشمسية. [ 18 ]  

في الأجزاء الخارجية من الغلاف المغناطيسي لزحل، على مسافة تتراوح بين 15 و20 ضعف  نصف قطر زحل [ 20 ] ، يكون المجال المغناطيسي بالقرب من المستوى الاستوائي شديد التمدد، مُشكِّلاً بنية قرصية تُسمى القرص المغناطيسي . [ 21 ] يمتد القرص حتى الغلاف المغناطيسي الخارجي على الجانب النهاري، ويتحول إلى ذيل الغلاف المغناطيسي على الجانب الليلي. [ 22 ] بالقرب من الجانب النهاري، قد يختفي القرص المغناطيسي عندما ينضغط الغلاف المغناطيسي بفعل الرياح الشمسية، وهو ما يحدث عادةً عندما تكون مسافة الغلاف المغناطيسي الخارجي أقل من 23  ضعف نصف قطر زحل . أما على الجانب الليلي وجوانب الغلاف المغناطيسي، فيكون القرص المغناطيسي موجودًا دائمًا. [ 21 ] يُعد القرص المغناطيسي لزحل نظيرًا أصغر بكثير للقرص المغناطيسي للمشتري. [ 17 ]

تتخذ صفيحة البلازما في الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل شكلاً يشبه الوعاء، وهو شكل غير موجود في أي غلاف مغناطيسي آخر معروف. عندما وصلت مركبة كاسيني عام 2004، كان فصل الشتاء قد حلّ في نصف الكرة الشمالي. وكشفت قياسات المجال المغناطيسي وكثافة البلازما أن صفيحة البلازما كانت ملتوية وتقع شمال مستوى خط الاستواء، وتبدو كوعاء عملاق. كان هذا الشكل غير متوقع. [ 21 ]

الديناميكيات

صورة لسحابة البلازما المحيطة بكوكب زحل (كاسيني)

تتشابه العمليات التي تحرك الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل مع تلك التي تحرك الغلاف المغناطيسي للأرض والمشتري. [ 23 ] فكما يهيمن على الغلاف المغناطيسي للمشتري دوران البلازما المتزامن وتحميل الكتلة من قمر آيو ، يهيمن على الغلاف المغناطيسي لزحل دوران البلازما المتزامن وتحميل الكتلة من قمر إنسيلادوس . مع ذلك، فإن الغلاف المغناطيسي لزحل أصغر حجمًا بكثير، بينما تحتوي منطقته الداخلية على كمية ضئيلة جدًا من البلازما لا تكفي لتمديده بشكل ملحوظ وتكوين قرص مغناطيسي كبير. [ 13 ] [ ملاحظة 2 ] وهذا يعني أنه يتأثر بشدة بالرياح الشمسية، وأنه، مثل المجال المغناطيسي للأرض ، تتأثر ديناميكياته بإعادة الاتصال بالرياح على غرار دورة دونجي . [ 13 ]

من السمات المميزة الأخرى للغلاف المغناطيسي لكوكب زحل وفرة الغاز المتعادل حوله. وكما كشفت الملاحظات فوق البنفسجية التي رصدتها مركبة كاسيني، فإن الكوكب مُحاط بسحابة ضخمة من الهيدروجين وبخار الماء ونواتج تفككهما، مثل الهيدروكسيل ، تمتد لمسافة تصل إلى 45  ضعف نصف قطر زحل. في الغلاف المغناطيسي الداخلي، تبلغ نسبة الجزيئات المتعادلة إلى الأيونات حوالي 60، وتزداد هذه النسبة في الغلاف المغناطيسي الخارجي، مما يعني أن حجم الغلاف المغناطيسي بأكمله ممتلئ بغاز كثيف نسبيًا وضعيف التأين. وهذا يختلف، على سبيل المثال، عن كوكب المشتري أو الأرض، حيث تهيمن الأيونات على الغاز المتعادل، وله تبعات على ديناميكيات الغلاف المغناطيسي. [ 24 ]

مصادر ونقل البلازما

يهيمن على تركيب البلازما في الغلاف المغناطيسي الداخلي لكوكب زحل أيونات مجموعة الماء: O⁺ ، H₂O⁺ ، OH⁺ ، بالإضافة إلى أيون الهيدرونيوم ( H₃O⁺ ) ، HO₂⁺ ، و O₂⁺ ، [ 4 ] على الرغم من وجود البروتونات وأيونات النيتروجين (N⁺ ) أيضًا. [ 25 ] [ 26 ] المصدر الرئيسي للماء هو إنسيلادوس، الذي يُطلق ما بين 300 و600 كيلوغرام /ثانية من بخار الماء من الينابيع الحارة قرب قطبه الجنوبي. [ 4 ] [ 27 ] يُشكّل الماء المُطلق وجذور الهيدروكسيل (OH) (ناتج تفكك الماء) حلقة سميكة نسبيًا حول مدار القمر عند مسافة 4 أضعاف نصف قطر الأرض ، بكثافة تصل إلى 10,000 جزيء لكل سنتيمتر مكعب. [ 5 ] يتأين ما لا يقل عن 100 كجم/ثانية من هذا الماء في نهاية المطاف ويُضاف إلى بلازما الغلاف المغناطيسي الدوارة. [ 5 ] تشمل المصادر الإضافية لأيونات مجموعة الماء حلقات زحل وأقماره الجليدية الأخرى. [ 27 ] رصدت مركبة كاسيني الفضائية أيضًا كميات صغيرة من أيونات N + في الغلاف المغناطيسي الداخلي، والتي يُحتمل أن يكون مصدرها إنسيلادوس أيضًا. [ 28 ]   

صورة التقطتها مركبة كاسيني للتيار الحلقي حول زحل الذي تحمله  أيونات عالية الطاقة (20-50 كيلو إلكترون فولت)

في الأجزاء الخارجية للغلاف المغناطيسي، تسود البروتونات، التي تنشأ إما من الرياح الشمسية أو من الغلاف الأيوني لكوكب زحل. [ 29 ] أما تيتان ، الذي يدور بالقرب من حدود الغلاف المغناطيسي على مسافة 20  ضعف نصف قطر زحل ، فلا يُعد مصدرًا مهمًا للبلازما. [ 29 ] [ 30 ]

تتكون البلازما الباردة نسبيًا في المنطقة الداخلية من الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل، ضمن مسافة 3  أضعاف نصف قطر زحل (بالقرب من الحلقات)، بشكل رئيسي من أيونات الأكسجين الموجبة (O + ) وأيونات الأكسجين الثنائية الموجبة ( O2 +) . [ 25 ] وتشكل هذه الأيونات مع الإلكترونات غلافًا أيونيًا يحيط بحلقات زحل. [ 31 ]

بالنسبة لكل من كوكب المشتري وزحل، يُعتقد أن انتقال البلازما من الأجزاء الداخلية إلى الخارجية للغلاف المغناطيسي مرتبط بعدم استقرار التبادل. [ 25 ] [ 32 ] في حالة زحل، يُسهّل تبادل الشحنات نقل الطاقة من الأيونات الساخنة سابقًا إلى الغازات المتعادلة في الغلاف المغناطيسي الداخلي. [ 33 ] بعد ذلك، تتبادل أنابيب التدفق المغناطيسي المحملة بهذه البلازما الباردة الغنية بالماء مع أنابيب التدفق المملوءة بالبلازما الساخنة القادمة من الغلاف المغناطيسي الخارجي. [ 25 ] ينشأ عدم الاستقرار بفعل قوة الطرد المركزي التي تُمارسها البلازما على المجال المغناطيسي. [ 18 ] تُزال البلازما الباردة في النهاية من الغلاف المغناطيسي بواسطة البلازمويدات المتكونة عند إعادة اتصال المجال المغناطيسي في ذيل الغلاف المغناطيسي. [ 32 ] تتحرك البلازمويدات أسفل الذيل وتخرج من الغلاف المغناطيسي. [ 32 ] يُعتقد أن عملية إعادة الاتصال أو العاصفة المغناطيسية الفرعية تخضع لسيطرة الرياح الشمسية وقمر تيتان، أكبر أقمار زحل، والذي يدور بالقرب من الحدود الخارجية للغلاف المغناطيسي. [ 30 ]

في منطقة القرص المغناطيسي، على مسافة تتجاوز 6  أضعاف نصف قطر زحل ، تُمارس البلازما داخل الصفيحة الدوارة قوة طرد مركزي كبيرة على المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى تمدده. [ 34 ] [ ملاحظة 3 ] يُنشئ هذا التفاعل تيارًا في المستوى الاستوائي يتدفق بشكل دائري مع الدوران ويمتد لمسافة تصل إلى 20  ضعف نصف قطر زحل من الكوكب. [ 35 ] تتراوح القوة الإجمالية لهذا التيار من 8 إلى 17 ميغا أمبير . [ 34 ] [ 35 ] يتسم التيار الحلقي في الغلاف المغناطيسي لزحل بتغير كبير ويعتمد على ضغط الرياح الشمسية، حيث يكون أقوى عندما يكون الضغط أضعف. [ 35 ] يُضعف العزم المغناطيسي المرتبط بهذا التيار المجال المغناطيسي في الغلاف المغناطيسي الداخلي بشكل طفيف (بحوالي 10 نانو تسلا)، [ 36 ] على الرغم من أنه يزيد من العزم المغناطيسي الكلي للكوكب ويؤدي إلى زيادة حجم الغلاف المغناطيسي. [ 35 ]  

الشفق القطبي

الشفق القطبي الشمالي لكوكب زحل في ضوء الأشعة تحت الحمراء

يتميز كوكب زحل بشفق قطبي ساطع، رُصد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة . [ 37 ] عادةً ما يبدو الشفق كدوائر (أو أشكال بيضاوية) متصلة ساطعة تحيط بقطبي الكوكب. [ 38 ] يتراوح خط عرض الأشكال البيضاوية للشفق بين 70 و80 درجة؛ [ 8 ] ويبلغ متوسط ​​موقعه 75 ± 1 درجة للشفق الجنوبي، بينما يكون الشفق الشمالي أقرب إلى القطب بحوالي 1.5 درجة. [ 39 ] [ ملاحظة 4 ] من حين لآخر، قد يتخذ أي من الشفقين شكلاً حلزونياً بدلاً من الشكل البيضاوي. في هذه الحالة، يبدأ الشفق قرب منتصف الليل عند خط عرض حوالي 80 درجة، ثم ينخفض ​​خط عرضه إلى 70 درجة مع استمراره في قطاعي الفجر والنهار (عكس اتجاه عقارب الساعة). [ 41 ] في قطاع الغسق، يزداد خط عرض الشفق القطبي مرة أخرى، على الرغم من أنه عندما يعود إلى قطاع الليل، فإنه لا يزال يتمتع بخط عرض منخفض نسبيًا ولا يتصل بجزء الفجر الأكثر إشراقًا. [ 38 ]

زحل وأضوائه الشمالية (صورة مركبة). [ 42 ]

على عكس كوكب المشتري، لا ترتبط الأشكال البيضاوية الرئيسية للشفق القطبي على كوكب زحل بانهيار دوران البلازما في الأجزاء الخارجية من غلافه المغناطيسي. [ 8 ] يُعتقد أن الشفق القطبي على زحل مرتبط بإعادة اتصال المجال المغناطيسي تحت تأثير الرياح الشمسية (دورة دونجي)، [ 13 ] التي تدفع تيارًا صاعدًا (حوالي 10 ملايين أمبير ) من طبقة الأيونوسفير، مما يؤدي إلى تسارع وهطول  إلكترونات عالية الطاقة (1-10 كيلو إلكترون فولت) في الغلاف الحراري القطبي لزحل. [ 43 ] يشبه الشفق القطبي على زحل إلى حد كبير الشفق القطبي على الأرض، حيث يتأثر أيضًا بالرياح الشمسية. [ 38 ] تتوافق الأشكال البيضاوية نفسها مع الحدود بين خطوط المجال المغناطيسي المفتوحة والمغلقة - ما يُسمى بالغطاءات القطبية ، والتي يُعتقد أنها تقع على بُعد 10-15 درجة من القطبين. [ 43 ]

تتسم الشفق القطبي لكوكب زحل بتغيرات كبيرة. [ 38 ] ويعتمد موقعه وسطوعه بشكل كبير على ضغط الرياح الشمسية : إذ يزداد سطوع الشفق ويقترب من القطبين مع ازدياد ضغط الرياح الشمسية. [ 38 ] وتُلاحَظ أن الظواهر الشفقية الساطعة تدور بسرعة زاوية تتراوح بين 60 و75% من سرعة دوران زحل. وتظهر من حين لآخر ظواهر ساطعة في قطاع الفجر من الشكل البيضاوي الرئيسي أو داخله. [ 41 ] ويبلغ متوسط ​​إجمالي الطاقة المنبعثة من الشفق القطبي حوالي 50  جيجاواط في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (80-170  نانومتر) و150-300  جيجاواط في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (3-4  ميكرومتر - انبعاثات H3 + ) من الطيف. [ 8 ]

لقطة متتابعة للشفق القطبي الشمالي لكوكب زحل

إشعاع زحل الكيلومتري

مقارنة طيف الانبعاثات الراديوية لكوكب زحل مع أطياف أربعة كواكب ممغنطة أخرى

يُعدّ زحل مصدرًا لانبعاثات راديوية قوية نسبيًا ذات تردد منخفض تُعرف باسم إشعاع زحل الكيلومتري (SKR). يتراوح تردد هذا الإشعاع بين 10 و1300  كيلوهرتز (طول موجي يبلغ بضعة كيلومترات)، ويبلغ ذروته عند حوالي 400  كيلوهرتز. [ 7 ] تتأثر قوة هذه الانبعاثات بشدة بدوران الكوكب، وترتبط بتغيرات ضغط الرياح الشمسية. على سبيل المثال، عندما انغمس زحل في ذيل الغلاف المغناطيسي العملاق لكوكب المشتري خلال تحليق المركبة الفضائية فوياجر 2 بالقرب منه عام 1981، انخفضت قوة إشعاع زحل الكيلومتري بشكل كبير أو حتى توقفت تمامًا. [ 7 ] [ 44 ] يُعتقد أن هذا الإشعاع الكيلومتري ناتج عن عدم استقرار الميزر السيكلوتروني للإلكترونات المتحركة على طول خطوط المجال المغناطيسي المرتبطة بالمناطق الشفقية لزحل. [ 44 ] وبالتالي، يرتبط إشعاع زحل الكيلومتري بالشفق القطبي حول قطبي الكوكب . يتألف الإشعاع نفسه من انبعاثات طيفية منتشرة بالإضافة إلى نغمات ضيقة النطاق بعرض نطاق يصل إلى 200  هرتز. في مستوى التردد الزمني، تُلاحظ غالبًا سمات تشبه الأقواس، كما هو الحال في إشعاع المشتري الكيلومتري. [ 44 ] تبلغ القدرة الإجمالية لإشعاع SKR حوالي 1  جيجاواط. [ 7 ]

يُستخدم تعديل الانبعاثات الراديوية بفعل دوران الكواكب تقليديًا لتحديد فترة دوران باطن الكواكب العملاقة السائلة. [ 45 ] إلا أنه في حالة زحل، يبدو هذا مستحيلاً، إذ تتغير الفترة على مدى عشر سنوات. في الفترة 1980-1981، بلغت دورية الانبعاثات الراديوية، كما قاسها فوياجر 1 و2، 10 ساعات و39 دقيقة و24 ± 7 ثوانٍ ، والتي اعتُمدت حينها كفترة دوران زحل. تفاجأ العلماء عندما سجل غاليليو ثم كاسيني قيمة مختلفة، وهي 10 ساعات و45 دقيقة و45 ± 36 ثانية . [ 45 ] أشارت ملاحظات لاحقة إلى أن فترة التعديل تتغير بنسبة تصل إلى 1% على المدى الزمني المميز الذي يتراوح بين 20 و30  يومًا، مع وجود اتجاه طويل الأمد إضافي. توجد علاقة بين الفترة وسرعة الرياح الشمسية، إلا أن أسباب هذا التغير لا تزال غامضة. [ 45 ] قد يكون أحد الأسباب هو أن المجال المغناطيسي لزحل، المتناظر محوريًا تمامًا، لا يفرض دورانًا متزامنًا صارمًا على بلازما الغلاف المغناطيسي، مما يجعلها تنزلق بالنسبة للكوكب. إن عدم وجود ارتباط دقيق بين فترة تغير إشعاع زحل السطحي ودوران الكوكب يجعل من المستحيل تقريبًا تحديد فترة الدوران الحقيقية لزحل. [ 46 ]

أحزمة الإشعاع

أحزمة الإشعاع لكوكب زحل

يمتلك زحل أحزمة إشعاعية ضعيفة نسبيًا، نظرًا لامتصاص الجسيمات عالية الطاقة بواسطة الأقمار والمواد الجسيمية التي تدور حول الكوكب. [ 47 ] يقع حزام الإشعاع الأكثر كثافة (الرئيسي) بين الحافة الداخلية لحلقة إنسيلادوس الغازية عند 3.5  R s والحافة الخارجية للحلقة A عند 2.3  R s . يحتوي هذا الحزام على بروتونات وإلكترونات نسبية تتراوح طاقاتها من مئات الكيلو إلكترون فولت (keV) إلى عشرات الميغا إلكترون فولت (MeV)، وربما أيونات أخرى. [ 48 ] بعد 3.5  R s، تمتص الجسيمات عالية الطاقة بواسطة الغاز المتعادل، ويتناقص عددها، على الرغم من ظهور جسيمات أقل طاقة، تتراوح طاقاتها في حدود مئات الكيلو إلكترون فولت، مرة أخرى بعد 6  R s - وهي نفس الجسيمات التي تُساهم في تيار الحلقة. [ ملاحظة 3 ] [ 48 ] من المحتمل أن تكون الإلكترونات في الحزام الرئيسي ناتجة عن الغلاف المغناطيسي الخارجي أو الرياح الشمسية، حيث تُنقل عبر الانتشار ثم تُسخن بشكل أديباتي. [ 49 ] مع ذلك، تتكون البروتونات النشطة من مجموعتين من الجسيمات. المجموعة الأولى، ذات طاقات أقل من 10 ميغا إلكترون فولت تقريبًا، لها نفس أصل الإلكترونات، [ 48 ] بينما المجموعة الثانية، ذات التدفق الأقصى قرب 20 ميغا إلكترون فولت، ناتجة عن تفاعل الأشعة الكونية مع المواد الصلبة الموجودة في نظام زحل (ما يُعرف بعملية اضمحلال النيوترونات بواسطة انعكاس الأشعة الكونية - CRAND). [ 49 ] يتأثر حزام الإشعاع الرئيسي لزحل بشدة باضطرابات الرياح الشمسية بين الكواكب. [ 48 ]

تخلو المنطقة الداخلية للغلاف المغناطيسي بالقرب من الحلقات عمومًا من الأيونات والإلكترونات عالية الطاقة، لأنها تُمتص بواسطة جسيمات الحلقات. [ 48 ] مع ذلك، يمتلك زحل حزام الإشعاع الثاني الذي اكتشفه مسبار كاسيني عام 2004، ويقع داخل الحلقة D الداخلية مباشرةً . [ 47 ] من المحتمل أن يتكون هذا الحزام من جسيمات مشحونة عالية الطاقة تتشكل عبر عملية CRAND، أو من ذرات متعادلة عالية الطاقة متأينة قادمة من حزام الإشعاع الرئيسي. [ 48 ]

تُعدّ أحزمة الإشعاع الزحلية أضعف بكثير من تلك الخاصة بالمشتري، ولا تُصدر الكثير من إشعاع الميكروويف (بتردد بضعة جيجاهرتز). وتشير التقديرات إلى استحالة رصد انبعاثاتها الراديوية الديسيمترية (DIM) من الأرض. [ 50 ] ومع ذلك، تُسبب الجسيمات عالية الطاقة تجوية أسطح الأقمار الجليدية، وتُقذف منها الماء ونواتجها والأكسجين. [ 49 ]

التفاعل مع الحلقات والأقمار

صورة مركبة بألوان زائفة تُظهر توهج الشفق القطبي الممتد لمسافة حوالي 1000 كيلومتر من قمم السحب في منطقة القطب الجنوبي لكوكب زحل

يُؤثر العدد الكبير من الأجسام الصلبة التي تدور حول زحل، بما في ذلك الأقمار وجزيئات الحلقات، تأثيرًا قويًا على غلافه المغناطيسي. تدور البلازما في الغلاف المغناطيسي بالتزامن مع دوران الكوكب، مُصطدمةً باستمرار بنصفي الكرة الخلفيين للأقمار بطيئة الحركة. [ 51 ] في حين أن جزيئات الحلقات ومعظم الأقمار تمتص البلازما والجسيمات المشحونة عالية الطاقة بشكل سلبي، تُعد ثلاثة أقمار - إنسيلادوس، وديون، وتيتان - مصادر مهمة للبلازما الجديدة. [ 52 ] [ 53 ] يتجلى امتصاص الإلكترونات والأيونات عالية الطاقة من خلال فجوات ملحوظة في أحزمة إشعاع زحل بالقرب من مدارات الأقمار، بينما تُزيل حلقات زحل الكثيفة جميع الإلكترونات والأيونات عالية الطاقة الأقرب من 2.2  R S ، مما يُنشئ منطقة إشعاع منخفضة في محيط الكوكب. [ 48 ] يُؤدي امتصاص البلازما الدوارة بواسطة القمر إلى اضطراب المجال المغناطيسي في أعقابه الفارغة - حيث ينجذب المجال نحو القمر، مما يُنشئ منطقة ذات مجال مغناطيسي أقوى في منطقة التبعية القريبة. [ 51 ]

تُضيف الأقمار الثلاثة المذكورة أعلاه بلازما جديدة إلى الغلاف المغناطيسي. يُعدّ إنسيلادوس أقوى مصدر لها، إذ يقذف نافورة من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين عبر شقوق في منطقة قطبه الجنوبي. [ 27 ] يتأين جزء من هذا الغاز بفعل الإلكترونات الساخنة والأشعة فوق البنفسجية الشمسية، ويُضاف إلى تدفق البلازما المتزامن مع الدوران. [ 52 ] كان يُعتقد سابقًا أن تيتان هو المصدر الرئيسي للبلازما في الغلاف المغناطيسي لزحل، وخاصة النيتروجين. إلا أن البيانات الجديدة التي حصلت عليها كاسيني في الفترة 2004-2008 أثبتت أنه ليس مصدرًا مهمًا للنيتروجين، [ 29 ] على الرغم من أنه قد يُوفّر كميات كبيرة من الهيدروجين (نتيجة لتفكك الميثان ). [ 54 ] ديون هو القمر الثالث الذي يُنتج بلازما جديدة أكثر مما يمتص. تبلغ كتلة البلازما المتكونة بالقرب منه (حوالي 6 غ/ث) حوالي 1/300 من كتلتها بالقرب من إنسيلادوس. [ 53 ] مع ذلك، لا يمكن تفسير هذه القيمة المنخفضة بمجرد قذف سطحها الجليدي بواسطة جسيمات عالية الطاقة، مما قد يشير إلى أن ديون نشطة ذاتيًا مثل إنسيلادوس. تُبطئ الأقمار التي تُنتج بلازما جديدة حركة البلازما المتزامنة في دورانها في جوارها، مما يؤدي إلى تراكم خطوط المجال المغناطيسي أمامها وإضعاف المجال في أعقابها - حيث يلتف المجال حولها. [ 55 ] وهذا عكس ما يُلاحظ في الأقمار الممتصة للبلازما. 

تتسبب البلازما والجسيمات النشطة الموجودة في الغلاف المغناطيسي لزحل، عند امتصاصها بواسطة جسيمات الحلقات والأقمار، في تحلل جليد الماء إشعاعيًا. وتشمل نواتج هذا التحلل الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين والأكسجين الجزيئي . [ 56 ] وقد رُصد الأوزون على سطحي ريا وديون، بينما يُعتقد أن الأكسجين الجزيئي مسؤول عن الانحدارات الطيفية الحادة لانعكاسات الأقمار في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. [ 56 ] ويُشكل الأكسجين الناتج عن التحلل الإشعاعي أغلفة جوية رقيقة حول الحلقات والأقمار الجليدية. وقد رصدت مركبة كاسيني الغلاف الجوي الحلقي لأول مرة عام 2004. [ 57 ] ويتأين جزء من الأكسجين، مما يُنتج عددًا قليلًا من أيونات O2 + في الغلاف المغناطيسي. [ 56 ] ويُعد تأثير الغلاف المغناطيسي لزحل على أقماره أقل وضوحًا من تأثير كوكب المشتري عليها. ففي حالة المشتري، يحتوي الغلاف المغناطيسي على عدد كبير من أيونات الكبريت، التي تُنتج، عند غرسها في الأسطح، بصمات طيفية مميزة. في حالة زحل، تكون مستويات الإشعاع أقل بكثير، ويتكون البلازما بشكل رئيسي من منتجات الماء، والتي لا يمكن تمييزها عند زرعها عن الجليد الموجود بالفعل. [ 56 ]

استكشاف

حتى عام 2014، تم استكشاف الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل بشكل مباشر بواسطة أربع مركبات فضائية. كانت مهمة بايونير 11 الأولى لدراسة الغلاف المغناطيسي في سبتمبر 1979، حيث اكتشفت المجال المغناطيسي وأجرت بعض القياسات لمعايير البلازما. [ 2 ] في نوفمبر 1980 وأغسطس 1981، استكشفت مسبارات فوياجر 1 و2 الغلاف المغناطيسي باستخدام مجموعة محسّنة من الأجهزة. [ 2 ] ومن خلال مسارات التحليق، قاست هذه المركبات المجال المغناطيسي للكوكب، وتكوين البلازما وكثافتها، وطاقة الجسيمات عالية الطاقة وتوزيعها المكاني، وموجات البلازما، والانبعاثات الراديوية. أُطلقت مركبة كاسيني الفضائية عام 1997، ووصلت عام 2004، حيث أجرت أولى القياسات منذ أكثر من عقدين. وواصلت المركبة تقديم معلومات حول المجال المغناطيسي ومعايير البلازما للغلاف المغناطيسي لزحل حتى تدميرها المتعمد في 15 سبتمبر 2017.

في تسعينيات القرن الماضي، أجرت المركبة الفضائية "يوليسيس" قياسات مكثفة للإشعاع الكيلومتري لكوكب زحل (SKR)، [ 7 ] وهو إشعاع لا يمكن رصده من الأرض بسبب امتصاصه في طبقة الأيونوسفير . [ 58 ] يتميز إشعاع SKR بقوته الكافية لرصده من مركبة فضائية على بُعد عدة وحدات فلكية من الكوكب. وقد اكتشفت "يوليسيس" أن دورة إشعاع SKR تتفاوت بنسبة تصل إلى 1%، وبالتالي فهي لا ترتبط ارتباطًا مباشرًا بدورة دوران باطن زحل. [ 7 ]

ملحوظات

  1. ↑ النقطة تحت الشمسية هي نقطة على كوكب، غير ثابتة أبدًا، تظهر عندها الشمس مباشرة فوق الرأس.
  2. ↑ في الجانب النهاري، لا يتشكل قرص مغناطيسي ملحوظ إلا عندما يكون ضغط الرياح الشمسية منخفضًا، ويكون حجم الغلاف المغناطيسي أكبر من حوالي 23 ضعف نصف قطر الشمس . ومع ذلك، عندما ينضغط الغلاف المغناطيسي بفعل الرياح الشمسية، يكون القرص المغناطيسي في الجانب النهاري صغيرًا جدًا. من ناحية أخرى، في قطاع الفجر من الغلاف المغناطيسي، يكون التكوين القرصي موجودًا بشكل دائم. [ 21 ]
  3. 1 2 قد يكون لتأثير قوة تدرج الضغط الحراري للبلازما أهمية كبيرة أيضًا. [ 35 ] بالإضافة إلى ذلك، تُساهم الأيونات النشطة التي تزيد طاقتها عن 10 كيلو إلكترون فولت تقريبًا بشكل كبير في تيار الحلقة. [ 35 ]
  4. ↑ يرتبط الاختلاف بين الشفق القطبي الجنوبي والشمالي بانزياح ثنائي القطب المغناطيسي الداخلي نحو نصف الكرة الشمالي، حيث يكون المجال المغناطيسي في نصف الكرة الشمالي أقوى قليلاً منه في نصف الكرة الجنوبي. [ 39 ] [ 40 ]

مراجع

  1. 1 2 3 راسل ، 1993، ص 694
  2. 1 2 3 4 5 6 7 بيلينكايا ، 2006، ص 1145–46
  3. 1 2 بلانك ، 2005، ص 238
  4. 1 2 3 سيتلر ، 2008، ص 4، 16-17
  5. 1 2 3 توكار ، 2006
  6. 1 2 3 جومبوسي ، 2009، ص. 206، الجدول 9.1
  7. 1 2 3 4 5 6 الزرقاء , 2005، ص 378-379
  8. 1 2 3 4 بهاردواج ، 2000، ص 328-333
  9. ↑ سميث ، 1959
  10. ↑ براون ، 1975
  11. ↑ كيفيلسون ، 2005، ص 2077
  12. 1 2 3 4 5 6 راسل ، 1993، الصفحات 717-718
  13. 1 2 3 4 5 كيفيلسون ، 2005، ص 303-313
  14. ↑ راسل ، 1993، ص 709، الجدول 4
  15. ↑ غومبوسي ، 2009، ص 247
  16. 1 2 راسل ، 1993، ص 690-692
  17. 1 2 3 جومبوسي , 2009، ص 206-209
  18. 1 2 3 4 5 6 أندريه , 2008، ص 10-15
  19. 1 2 أندريه ، 2008، ص 6-9
  20. ^ موك ، 2009، ص 317-318
  21. 1 2 3 4 جومبوسي ، 2009، ص 211-212
  22. ^ جومبوسي ، 2009، ص 231 – 234
  23. ^ بلان ، 2005، ص 264-273
  24. ^ موك ، 2009، ص 282-283
  25. 1 2 3 4 يونغ ، 2005
  26. ↑ سميث ، 2008
  27. 1 2 3 جومبوسي , 2009، ص 216-219
  28. ↑ سميث ، 2008، ص 1-2
  29. 1 2 3 جومبوسي , 2009، ص 219-220
  30. 1 2 راسل ، 2008، ص. 1
  31. ^ جومبوسي ، 2009، ص 206، 215–216
  32. 1 2 3 جومبوسي , 2009، ص 237-240
  33. ↑ سونتاغ ، 2021
  34. 1 2 بانس ، 2008، ص 1-2
  35. 1 2 3 4 5 6 جومبوسي ، 2009، الصفحات من 225 إلى 231
  36. ↑ بانس ، 2008، ص 20
  37. ↑ كورت ، 2009، ص 334-342
  38. 1 2 3 4 5 كلارك ، 2005
  39. 1 2 نيكولز ، 2009
  40. ^ جومبوسي ، 2009، ص 209-211
  41. 1 2 كورث ، 2009، ص 335-336
  42. ↑ "هابل يرصد عرضًا ضوئيًا قويًا عند القطب الشمالي لكوكب زحل" . www.spacetelescope.org . تاريخ الاطلاع: 30 أغسطس 2018 .
  43. 1 2 كولي ، 2008، ص 2627-2628
  44. 1 2 3 كورث ، 2009، ص 341-348
  45. 1 2 3 زاركا ، 2007
  46. ↑ جورنيت ، 2005، ص 1256
  47. 1 2 أندريه ، 2008، ص 11-12
  48. 1 2 3 4 5 6 7 جومبوسي ، 2009، الصفحات من 221 إلى 225
  49. 1 2 3 بارانيكاس ، 2008
  50. ^ الزرقا ، 2005، ص 384-385
  51. 1 2 موك , 2009، ص 290-293
  52. 1 2 موك , 2009، ص 286-289
  53. 1 2 لايسنر ، 2007
  54. ^ موك ، 2009، ص 283-284، 286-287
  55. ^ موك ، 2009، ص 293-296
  56. 1 2 3 4 موك , 2009، ص 285-286
  57. ↑ جونسون ، 2008، ص 393-394
  58. ↑ زاركا ، 2005، ص 372

فهرس

للمزيد من القراءة