木星的磁層

{{infobox magnetosphere
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| name = 木星
| discoverer = 先鋒10號
| discovered = 1973年12月
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| Aurora = 是
| Spectrum = 無線電、近紅外線、紫外線、和X射線
| Power = 100TW
| Radio emissions = 0.01–40MHz
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內部的磁場
巨大的木星磁場，像地球一樣，是由內部的發電機引發的，由外核循環流動的導電體支援。不同的是，地球的核心是由熔融的鐵和鎳構成，木星核心的成分是金屬氫。

偶極相對於木星自轉軸的傾斜類似於地球（11.3°），大約是10°。木星磁場的自轉和其下方的大氣層有著相同的週期，都是9小時55分鐘。自從先鋒10號在20世紀70年代中期第一次測量迄今，都沒有觀察到其強度和結構的變化{{refn|例如，偶極方位角的指向變化小於0.01°。木星的磁層是如此的巨大，太陽和它可見的日冕可以豪不費力地放置在其中。如果有人能在地球上看見木星的磁層，儘管距離比月球遠了1,700倍，但看起來仍比滿月大上5倍。在磁層頂的前緣（距離木星的中心從80至130RJ）橫梗著弓形震波，是太陽風與磁層碰撞所引起的湍流造成的干擾。在弓形震波和磁層頂之間的區域稱為磁層鞘。像地球一樣，木星的磁尾是來自太陽的電漿進入木星磁層內部的通道，它們在那兒，距離木星10RJ以內的距離被加熱和形成輻射帶。

上文所描述木星的磁層形狀是由中性電流片（也就是所謂的磁尾電流）維繫的，它隨著木星的自轉穿越尾部的電漿片，磁尾電流，它的流動在磁尾外面的邊界抗拒著木星的自轉；磁層頂電流（或查普曼-費拉羅電流）在白天側的磁層頂流動，抗拒著自轉。

木星的磁層在傳統上被分成三個部分：內磁層、中磁層和外磁層。內磁層位在10RJ距離以內。因為來自於磁層赤道電漿片電流的貢獻還很小，磁場內仍然大部分是偶極子。在中磁層（距離在10至40RJ）和外磁層（距離超過40RJ），因為與電流片的交互作用而受到嚴重的干擾，磁場不再是偶極（參見下面的磁盤）。在埃歐上的強大火山噴發，會釋放出大量的二氧化硫，其中很大一部分會被來自太陽的紫外線解離成為原子或離子，產生硫和氧的離子：S+、O+、S2+和O2+。這些離子從衛星的大氣層逃逸，形成埃歐電漿環：在靠近埃歐的軌道上圍繞著木星，相對是密度較高但低溫的環。

由於幾種不同的程序，電漿會慢慢的從木星逃逸，主要的逃逸機制是擴散和交換不穩定性。當電漿遠離木星時，徑向電流會逐漸增加它的速度，以維持同步轉動。在中磁層，與木星的距離大於20RJ之處，同步轉動逐漸被打破，電漿開始旋轉得比木星自轉緩慢。當冷而稠密的電漿向外移動，取而代之的是來自外磁層熱而低密度的電漿（溫度高於20KeV，即2億K或更高），在木星的內磁層形成輻射帶。在磁盤的平面中間有很薄的電流片。來自這股電流作用結果的羅倫茲力與木星內部磁場的交互作用創造出向心力，使得要從木星逃逸的電漿維持著同步轉動。估計在赤道電流片的總電流量在90-160百萬安培。

動力學
同步轉動和徑向電流
木星磁層的主要驅動力來自木星的自轉，在這方面木星是類似於一種被稱為單極發電機的裝置。當木星旋轉時，由於它的磁偶極矩的指向朝向自轉的方向，電離層相對移動到木星的磁偶極場。其結果是，兩極成為負電區，接近赤道的地區成為帶正電區。由於木星的磁層充滿了高度導電的電漿，經過的電路是封閉的。強大的直流電進入磁盤的源頭非常有限，大約是在磁極附近緯度。這個狹窄的圓形區域對映著木星主要的極光橢圓（見下文。）。返回的電流從距離木星超過50RJ的外磁層進入木星的兩極，完成封閉的電路。 估計在木星磁層的總徑向電流在60-140百萬安培。

的過程，讓與磁場分離的電漿重返磁場。沿著磁尾開放的磁場線向外流動的電漿被稱為行星風。

磁重聯事件類似於地球磁層的磁層副暴，但是在木星的磁層，木星旋轉的能量儲存在磁盤，而在電漿團離開它時被釋放出來，主要是作為高能質子的來源{{refn|質子的另一個主要來源是木星的電離層。；然而，在太陽活動提高時，它的影響也會增強。極光無線電。而極光幾乎在所有的電磁頻譜上都有發射，從無線電波到X射線（到達3KeV），最明亮的是中紅外線（波長3－4μm和7－14μm）和遠紫外線（波長從80－180nm）。

橢圓區是木星極光的主導部分，它們有穩定的形狀和位置。如上所述，主要的橢圓是由磁盤的電漿和木星電離層的電位降，加速電子的強力注入來維護。這些電子攜帶的場準直電流維持著磁盤內電漿的同步轉動。進入電離層的總能量是10－100TW。另一方面，電離層被流動的電流加熱，這種過程稱為焦耳加熱，能產生300TW的能量，是負責木星極光的強紅外線輻射和木星熱成層部分熱的來源。

斑點被發現對應於三顆伽利略衛星：埃歐、歐羅巴、佳利美德{{refn|卡利斯多可能也對應一個斑點，因為它或許與橢圓的主體一致，因此未能察覺。，因為同步轉動的電漿鄰近衛星時會度會減緩。最亮的斑點屬於埃歐，是磁層內電漿的主要來源（見上文）。埃歐的極光斑點被認為與從木星流向埃歐電離層的阿耳芬流相關聯。歐羅巴和佳利美德的斑點就黯淡許多，因為這些衛星只是微弱的電漿源，表面只有水冰的昇華。

在極光橢圓的主體偶爾會出現明亮的弧和斑點，這些瞬變現象被認為與太陽風的交互作用有關。極區的極發射類似於地球兩極附近觀察到的：當太陽的磁場與行星磁場磁重聯時，會在兩極同時出現電子被電位勢加速接近行星。

木星像波霎
木星是個強大的電波源，頻譜範圍由數千赫茲伸展至數千萬赫茲。頻率大約在0.3MHz（波長超過1公里）的無線電波被稱為木星千米波（Jovian kilometric radiation）或KOM；頻率在0.3－3MHz（波長在100－1,000米）被稱為粨發射或HOM（hectometric）；而發射頻率在3－40MHz的稱為公丈發射或DAM（decametric）。後者是第一個從地球上觀測到的，其大約10小時的週期，說明與標識它是來自木星。DAM發射最強的部份與埃歐和木星－埃歐系統有關，稱為埃歐DAM{{refn|非埃歐-DAM遠比埃歐-DAM微弱，並且實際上是在HOM發射高頻率的尾端。木星無線電發射的強度通常隨時間平滑的改變，然而，木星會週期性的發出短而有力的爆發（S爆發），可以超過所有其他的發射。DAM的總發射功率大約是100GW；而HOM/KOM合起來大約是10GW。相較之下，地球的所有的無線電發射功率大約是0.1GW。這個週期性的調幅可能涉及木行磁層的不對稱，這是由磁矩相對於自轉軸的傾斜所造成的大範圍磁異常。受到物理學制約的木星無線電發射類似無線電脈衝星，不同的是只有它的強度，因而木星也可以被當成非常小的無線電波煞，而主要的範圍在1－20MeV 。這種發射自20世紀的60年代就已經被很好的理解，並用在研究行星的磁場和輻射帶的結構。輻射帶中的粒子來自外磁層，當它門禁到內磁層時，經歷了絕熱加熱的過程。這些高度準直和隨著行星自轉週期性變化，像是無線電發射的無線電波，使得木星在這方面就像是一顆波煞。電漿與行星的同步轉動意味著電漿與衛星的尾隨半球有理想的交互作用，造成明顯的半球對稱性。另一方面，衛星強大的內部磁場對木星的磁場也有貢獻。行星的磁場強烈的影響次微米環粒子的運動，在太陽的紫外線影響下它們會獲得電子。它們的行為與同步轉動的離子相似。在同步轉動和軌道運動的交互作用下的共振，被認為是最內側的冕環（位於1.4－1.7RJ）的創造著，它們包含在高度傾斜和離心率軌道上的次微米粒子。這些微粒起源於主環，當它們朝向木星漂移時，它們的軌道受到位於1.71RJ，強大的3:2勞侖茲共振修改，增加了傾斜和離心率。{{refn|勞侖茲共振是存在於微粒的軌道速度和行星磁層的自轉週期之間。如果它們的角頻率是m:n（有理數）的關係，則科學家稱之為m:n勞侖茲共振。所以，在3：2共振的情況下，微粒在距離木星1.71Rj的距離上每繞行木星三圈，磁層就繞行木星二圈。

所有的伽利略衛星都有稀薄的大氣層，表面壓力的範圍在0.01–1n帕，並且支援電子密度範圍在1,000–10,000cm−3的實質電離層。分流在它們周圍，同步轉動的磁層冷電漿流在它們的電離層產生感應電流，創造被稱為阿耳分翅的楔狀結構。大衛星與同步轉動電漿流的交互作用類似於太陽風和沒有磁場的金星之間的交互作用。雖然同步轉動電漿流速度通常低於次音速（速度變化從74至328Km/S），這可以防止弓形震波的形成。同步轉動電漿流的壓力不斷的將衛星（特別是埃歐）的氣體從大氣層剝離，並將這些原子電離與納入同步轉動。這個過程在鄰近衛星軌道附近創造出氣體和電漿的環，埃歐的環是其中最突出的。

冰的伽利略衛星歐羅巴、佳利美德和卡利斯多，都對木星的磁場產生反應生成誘導的磁矩。這些變化的磁矩在它們的周圍產生環繞的偶極磁場，以這些行動補償周圍環境的變化。

佳利美德有內在的磁矩，與木星磁層的交互作用，不同於非磁化的衛星。一些高能粒子會被佳利美德困住，在赤道附近創造出迷你的輻射帶。進入稀薄大氣層的高能粒子，造成佳利美德的極區出現極光。在那兒它們會優先被注入歐羅巴和佳利美德的尾隨半球上。然而，不知道甚麼原因，硫在卡利斯多卻集中在前導半球上。電漿使得衛星的尾隨半球變得黯淡（同樣的卡利斯多再次除外）。輻射分解產生的氧化物，像是氧氣和臭氧，可能被困在冰內，並在一段地質時間內被帶入地下進入海洋，因而可以充當可能存在生物的能量來源。當DAM的頻譜擴展至40MHz，天文學家認為木星必須擁有一個強度為1豪特斯拉（10高斯的磁場。

在1959年，觀測到微波（0.1–10GHz）部分的電磁頻譜，導致發現木星的分米輻射（DIM）和確認它是被困在行星輻射帶內的相對論性電子的同步輻射 。這些同步輻射被用來估計木星周圍的電子數量和能量，導致磁矩和它的傾斜量獲得改進。明確的發現木星磁場是在1973年12月，當先鋒10號飛近木星之際{{refn|先鋒10號攜帶了氦向量磁力計，直接測量木星的磁場。這艘太空船還觀察了電漿和高能粒子。。

航海家1號和2號分別在1979－1980年幾乎就飛越木星的赤道平面。航海家1號從距離木星中心5RJ處掠過，是首度接觸埃歐電漿環的探測器。

當卡西尼號在2000年飛越木星時，它進行了與伽利略號的協同測量。 木星磁層殘留的覆蓋面遠小於地球的磁場。未來的任務（例如朱諾號）重點在進一步的了解木星磁層的動力學。

註解
參考資料
引文來源
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進階讀物
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外部連結