المجال المغناطيسي والغلاف المغناطيسي لكوكب زحل

ما هو المجال المغناطيسي لكوكب زحل؟

يشبه المجال المغناطيسي لزحل الحقل ثنائي القطب البسيط أو مغناطيس القضيب محاذاة محورها بين الشمال والجنوب، ضمن درجة 1 من محور دوران زحل مع مركز ثنائي القطب المغناطيسي في مركز الكوكب، قطبية المجال مثل كوكب المشتري هي عكس مجال الأرض الحالي، أي تظهر خطوط المجال في نصف الكرة الشمالي لكوكب زحل وتعيد دخولها في نصف الكرة الجنوبي، على زحل تشير البوصلة المغناطيسية الشائعة إلى الجنوب، ينحرف مجال زحل بشكل ملموس عن حقل ثنائي القطب بسيط.

يتجلى هذا في عدم تناسق بين الشمال والجنوب وفي مجال سطح قطبي أعلى قليلاً، مما يتوقعه نموذج ثنائي القطب نقي، عند مستوى سطح زحل ذي شريط واحد، يبلغ الحد الأقصى للحقل القطبي 0.8 غاوس (شمالاً) و0.7 جاوس (جنوباً)، وهو مشابه جداً لحقل سطح الأرض القطبي، بينما يبلغ المجال الاستوائي 0.2 جاوس مقارنة بـ 0.3 جاوس على سطح الأرض، المجال الاستوائي للمشتري عند 4.3 جاوس أقوى 20 مرة من حقل زحل، إذا كان أحدهم يمثل المجال المغناطيسي لزحل على أنه ناتج عن حلقة تيار بسيطة مع عزم مغناطيسي محدد، فإن تلك العزم المغناطيسي تكون حوالي 600 مرة من الأرض، في حين أن العزم المغناطيسي للمشتري هو 20000 مرة من الأرض.

كيف يتم انشاء المجال المغناطيسي؟

يتم إنشاء المجال المغناطيسي لزحل عن طريق حركات السوائل في الجزء الموصّل كهربائياً من الجزء الداخلي من الكوكب، هذه المنطقة التي يوجد فيها الهيدروجين في حالة فلزية سائلة حول قلب صخري مركزي تضم النصف الداخلي من الكوكب، بالمقارنة مع كوكب المشتري يتكون القليل من كتلة وحجم زحل من هذا السائل المعدني الموصل، والذي قد يفسر جزئياً سبب ضعف المجال المغناطيسي لزحل كثيراً.

كما أن الجزء الداخلي للمشتري أكثر سخونة؛ لذلك قد تكون حركات السوائل في داخله أكثر قوة، وربما تساهم بشكل أكبر في الاختلافات في شدة المجال، الغلاف المغناطيسي لزحل هو منطقة على شكل دمعة من الفضاء حول الكوكب، حيث يهيمن المجال المغناطيسي للكوكب على سلوك الجسيمات المشحونة، والتي تأتي في الغالب من الشمس وليس المجالات المغناطيسية بين الكواكب.

يمتد الجانب المستدير من الدمعة باتجاه الشمس مشكلاً حداً أو انقطاعاً مغناطيسياً مع تدفق الرياح الشمسية على مسافة حوالي 20 نصف قطر زحل (1200000 كم أي 750،000 ميل) من مركز الكوكب، ولكن مع تقلبات كبيرة بسبب الاختلافات في ضغط الرياح الشمسية، على الجانب الآخر من زحل يتم سحب الغلاف المغناطيسي إلى ذيل مغناطيسي هائل يمتد إلى مسافات كبيرة.

الغلاف المغناطيسي الداخلي لكوكب زحل:

الغلاف المغناطيسي الداخلي لزحل مثل الغلافين المغناطيسي للأرض والمشتري يحبس مجموعة مستقرة من الجسيمات المشحونة عالية الطاقة ومعظمها من البروتونات، تنتقل في مسارات حلزونية على طول خطوط المجال المغناطيسي، تشكل هذه الجسيمات أحزمة حول زحل تشبه أحزمة (Van Allen) على الأرض، على عكس حالتي الأرض والمشتري، فإن عدد الجسيمات المشحونة لكوكب زحل ينضب إلى حد كبير عن طريق امتصاص الجسيمات على أسطح الأجسام الصلبة التي تدور داخل خطوط المجال.

أظهرت بيانات فوييجر وجود ثقوب في مجموعات الجسيمات على خطوط المجال التي تتقاطع مع الحلقات ومدارات الأقمار داخل الغلاف المغناطيسي، تدور أقمار زحل (تيتان وهايبريون) على مسافات قريبة من الأبعاد الدنيا للغلاف المغناطيسي، وفي بعض الأحيان تعبر الأقمار المغنطيسية وتنتقل خارج الغلاف المغناطيسي لزحل، تصطدم الجسيمات المشحونة النشطة المحاصرة في الغلاف المغناطيسي الخارجي لزحل مع الذرات المحايدة في الغلاف الجوي العلوي لتيتان وتنشطها، مما يتسبب في تآكل الغلاف الجوي، هالة من هذه الذرات النشطة لوحظت بواسطة مركبة كاسيني المدارية.

يمتلك زحل الشفق القطبي فوق البنفسجي الناتج عن تأثير الجسيمات النشطة من الغلاف المغناطيسي على الهيدروجين الذري والجزيئي في الغلاف الجوي القطبي لزحل، نجحت الصور فوق البنفسجية التي التقطتها تلسكوب هابل الفضائي الذي يدور حول الأرض في أواخر التسعينيات وأوائل القرن الحادي والعشرين في التقاط الحلقات الشفقية حول القطبين، أعطت هذه أدلة حية على التماثل العالي للمجال المغناطيسي لزحل، وكشفت تفاصيل عن الطريقة التي تستجيب بها الشفق القطبي للرياح الشمسية والمجال المغناطيسي للشمس.

أهم المعلومات عن التركيب الداخلي لكوكب زحل:

• انخفاض متوسط ​​كثافة زحل هو دليل مباشر على أن تركيبته الكتلية تتكون في الغالب من الهيدروجين، في ظل الظروف الموجودة داخل الكوكب يتصرف الهيدروجين كسائل بدلاً من غاز عند ضغوط تزيد عن كيلوبار واحد، وهو ما يعادل عمق 1000 كيلومتر (600 ميل) تحت السحب؛ لذلك فإن درجة الحرارة تقرب من 1000 كلفن، حتى لو كان سائلاً فإن الهيدروجين الجزيئي مادة شديدة الانضغاط.

• لتحقيق متوسط ​​كثافة زحل البالغ 0.69 جرام لكل سم مكعب يتطلب ضغوطاً أعلى من 1 ميغا بار، يحدث هذا على عمق 20000 كيلومتر (12500 ميل) تحت السحب أو حوالي ثلث المسافة إلى مركز الكوكب.

• يتم الحصول على معلومات حول البنية الداخلية لكوكب زحل من دراسة مجال جاذبيته وهو مجال غير متماثل كروياً.

• إن الدوران السريع وانخفاض متوسط ​​الكثافة اللذين يؤديان إلى تشويه الشكل المادي للكوكب يشوهان أيضاً شكل مجال الجاذبية الخاص به.

• يمكن قياس شكل المجال بدقة من خلال تأثيره على حركة المركبات الفضائية في المنطقة المجاورة، وعلى شكل بعض مكونات حلقات زحل.

ترتبط درجة التشويه ارتباطاً مباشراً بالكميات النسبية للكتلة المركزة في مناطق زحل المركزية بدلاً من غلافها، يُظهر تحليل التشويه أن زحل مكثف مركزياً بشكل أكبر من كوكب المشتري، وبالتالي يحتوي على كمية أكبر بكثير من المواد الأكثر كثافة من الهيدروجين بالقرب من مركزه.

• تحتوي المناطق المركزية من زحل على حوالي 50 بالمائة من الهيدروجين بالكتلة، بينما يحتوي كوكب المشتري على 67 بالمائة تقريباً من الهيدروجين عند ضغط ما يقرب من 2 ميغا بار ودرجة حرارة حوالي 6000 كلفن، ومن المتوقع أن يمر الهيدروجين الجزيئي السائل بمرحلة انتقالية رئيسية إلى الحالة المعدنية السائلة، والتي تشبه المعدن القلوي المنصهر مثل الليثيوم.

يحدث هذا الانتقال على مسافة في منتصف المسافة تقريباً بين قمم سحابة زحل ومركزها، تُظهر الأدلة من حقل الجاذبية للكوكب أن المنطقة المعدنية المركزية أكثر كثافة بكثير مما ستكون عليه الحال بالنسبة للهيدروجين النقي الممزوج فقط بنسب الهيليوم الشمسية.

• الهليوم الزائد الذي استقر من الطبقات الخارجية للكوكب قد يكون مسؤولاً جزئياً عن زيادة الكثافة.

• قد يحتوي زحل على كمية من المواد الأكثر كثافة من كل من الهيدروجين والهيليوم بكتلة إجمالية تصل إلى 30 ضعف كتلة الأرض، ولكن لا يمكن تحديد توزيعها الدقيق من البيانات المتاحة، من المحتمل أن يتركز مزيج الصخور والجليد من حوالي 15 إلى 18 كتلة أرضية في قلب مركزي كثيف.

• إن الموصلية الكهربائية المحسوبة لللب الخارجي (لزحل) من الهيدروجين المعدني السائل، هي أنه في حالة وجود تيارات دوران بطيئة، كما هو متوقع مع تدفق الحرارة إلى السطح مصحوباً بترسيب الجاذبية للمكونات الأكثر كثافة، فهناك عمل دينامو كافٍ لتوليد المجال المغناطيسي المرصود للكوكب.

وهكذا يتم إنتاج مجال زحل من خلال نفس الآلية التي تنتج مجال الأرض، وفقاً لنظرية الدينامو قد يكون الحقل العميق؛ ذلك الجزء من الحقل الموجود بالقرب من منطقة الدينامو بالقرب من القلب غير منتظم تماماً، من ناحية أخرى يكون الجزء الخارجي من المجال الذي يمكن للمركبة الفضائية ملاحظته منتظماً تماماً مع وجود محور ثنائي القطب محاذي تقريباً لمحور الدوران.

تم اقتراح نظريات أن خطوط المجال المغناطيسي تكون أكثر تناسقاً مع محور الدوران، قبل أن تصل إلى السطح من خلال مرورها عبر منطقة غير محيطة موصلة كهربائياً تدور فيما يتعلق بخطوط المجال، قد يكون التغيير اللافت للنظر الذي لوحظ في فترة دوران المجال المغناطيسي على مدار الـ 25 عام الماضية مرتبطاً بعمل التيارات الكهربائية العميقة التي تنطوي على النواة الموصلة.