Planety jako magnety aneb Kde se bere tajemná magnetosféra? (1.)

Magnetická pole ve vesmírných tělesech existují ze dvou příčin. Může jít o tzv. fosilní magnetismus, tedy obvykle komplikované, avšak slabé magnetické pole, které vzniká v horninách, z nichž těleso sestává. Tyto horniny byly magnetickými už v době zrodu tělesa a zmíněný stav přetrval dodnes. Jako příklad může posloužit třeba Měsíc. 

Druhou možností je, že se v daném tělese magnetické pole neustále obnovuje a vytváří – odborně říkáme, že v něm funguje dynamo. V takovém případě je nezbytná přítomnost pohyblivých vodivých látek, tedy nejčastěji vodivé tekutiny, v hvězdách plazmatu, v nitrech plynných obrů například kovového vodíku, v terestrických planetách natavených hornin. Zároveň se zmíněné látky musejí vůči sobě pohybovat s určitým střihem, což znamená, že rychlost jejich pohybu v prostoru není konstantní a mění se s pozicí. Tento vzájemný „relativní“ pohyb je velmi důležitý pro zesilování magnetismu. V nitrech těles obvykle pro vznik střižného proudění dostačuje diferenciální rotace nebo konvekce, případně jejich kombinace. 

Magnetické pole v tomto případě vzniká ve smyčce s pozitivní zpětnou vazbou: Pohyby vodivých částic mají charakter makroskopického elektrického proudu, který vytváří magnetické pole. Měnící se magnetické pole indukuje elektrické pole a obě společně ovlivňují pohyby nabitých částic. Uvedený proces lze popsat jedinou – diferenciální – rovnicí, jež se někdy označuje jako základní rovnice magnetohydrodynamiky. 

Slabé pole Merkuru

Z terestrických členů Sluneční soustavy má magnetické pole překvapivě také miniaturní Merkur, přičemž jeho intenzita dosahuje asi 1 % intenzity magnetického pole Země. Vědci se domnívají, že pole Merkuru vzniká v elektricky vodivé tavenině železa v jádře, jež sestává z dosud horkého a plně tekutého vnitřního jádra a plastického jádra vnějšího. Hrubá představa založená na hypotetické rozdílné rychlosti rotace obou jader však stále ještě vykazuje několik nejasností: například velmi pomalá rotace planety, tedy 59 dní, se zdá některým fyzikům pro fungování dynama nedostatečná. 

Dnes považujeme za pravděpodobnější variantu působení pomalé konvekce, která souvisí s postupným tuhnutím vnitřního jádra, v jehož důsledku se vnější jádro tepelně rozvrstvilo. Pomalé konvektivní pohyby zřejmě poskytují chybějící rychlostní střih, magnetické pole vzniká pouze v této vrstvě, a tudíž se velmi rychle mění v čase, což odpovídá měřením kosmických sond.

Rychlá rotace Země

I zemské magnetické pole vzniká v samotném středu planety, kde najdeme pevné vnitřní jádro a tekuté jádro vnější. Zdá se, že se tyto dvě komponenty otáčejí proti sobě, navíc ve vnějším jádře probíhá konvekce vybuzená separací chemických prvků: s unikajícím teplem roztavené železo postupně tuhne, padá na vnitřní jádro, a nechává tak za sebou taveninu z lehčích prvků. 

Do procesu vstupuje tzv. Coriolisova síla, jež má původ v rotaci planety a ovlivňuje pohyb konvektivních buněk, přičemž je odchyluje z radiálního směru do směru podél rotační osy. Geofyzikové se domnívají, že působením těchto efektů má konvekce v zemském jádře charakter konvektivních trubic. Rotace Země je dostatečně rychlá, aby mohla Coriolisova síla v odpovídající míře působit a aby mohlo v nitru planety vzniknout významné střižné proudění důležité pro vytvoření podstatného magnetického pole. 

Magnetické pole na pochodu

Pro úplnost připomeňme, že se osa magnetického dipólu Země odchyluje od její rotační osy, v současnosti asi o 10°. Magnetický pól na severní polokouli tak neleží u severního geografického pólu, ale v kanadské Arktidě. Navíc je třeba podotknout, že z hlediska polarity zemského magnetu se na severní hemisféře nachází jižní magnetický pól a opačně. Podle definice se totiž za severní magnetický pól (například tyčového magnetu) považuje takový, z něhož siločáry magnetického pole vycházejí. A takový najdeme v Antarktidě. 

Je zajímavé, že orientace osy magnetického dipólu Země v minulosti několikrát změnila smysl. Magnetické pole naší planety se totiž v průměru jednou za několik stovek tisíc let obrátí! Zatím není jasné, jaký fyzikální pochod přepólování způsobuje. Dost možná za něj odpovídá změna proudění v tekutých vrstvách, která může začít malou, náhodně vyvolanou poruchou a skončit převrácením polarity geomagnetického dynama. Některé geologické nálezy ukazují, že v určitých etapách historie Země probíhalo přepólování velmi rychle – osa magnetického dipólu se posouvala až o 6° za den!

Oblast dominantního vlivu zemského magnetického pole označujeme jako magnetosféru a nalezneme v ní mimo jiné tzv. Van Allenovy pásy, kde jsou dlouhodobě uvězněny nabité částice. Vnitřní pás se nachází ve výšce 1–2 zemských poloměrů a jeho izotopické složení naznačuje, že zdejší částice mají původ v ionosféře naší planety. Naproti tomu do vnějšího pásu ve výšce 4–7 zemských poloměrů se téměř jistě dostávají částice z naší hvězdy se slunečním větrem, který ostatně ovlivňuje tvar celé geomagnetosféry. Na denní straně působí dynamickým tlakem, tudíž magnetosféru stlačuje do vzdálenosti asi 60 000 km od Země, zatímco na noční straně ji naopak mění v protáhlý ohon o délce až šesti milionů kilometrů.

Dozvuky dynama na Marsu

Magnetické pole Marsu považují vědci za dozvuky někdejšího dynama v tekutém nitru planety. Mechanismus byl přitom podobný jako v případě vzniku pole u Merkuru či Země. V současnosti je však nitro rudé planety nejspíš neaktivní a nové magnetické pole již nevzniká. Kosmické sondy zřejmě zachycují důsledky dávné magnetizace feromagnetických minerálů. Podrobný průzkum potvrzuje, že Mars v minulosti skutečně obklopovalo silné globální magnetické pole a že se jeho orientace také několikrát převrátila, podobně jako u Země. Vědci se dále domnívají, že současná extrémně řídká atmosféra rudé planety souvisí právě s absencí magnetického pole. Původní plynný obal byl totiž mnohem hustší, jakmile ovšem Mars o své dipólové pole přišel, sluneční vítr postupně značnou část atmosféry „obrousil“. 

Dokončení: Planety jako magnety aneb Kde se bere tajemná magnetosféra? (2.)

Je zajímavé, že Venuše – ačkoliv se Zemi podobá nejen velikostí a hmotností, ale i vnitřní stavbou –měřitelný magnetismus neprodukuje. I v jejím nitru téměř jistě klokotá pomalá konvekce, která by stačila ke generování magnetického pole, pokud by ovšem planeta rotovala podstatně rychleji než nyní. Připomeňme, že jí jedna otočka trvá celých 243 dnů. Vliv Coriolisovy síly na pohyby konvektivních buněk je tedy zcela zanedbatelný, a v nitru tělesa tudíž zřejmě nevzniká žádné podstatné střižné proudění, tak důležité pro zesilování magnetického pole.