Maan magneettikehä

Magneettikehä eli magnetosfääri on Maata avaruudessa ympäröivä alue, jonka planeettamme magneettikenttä rajaa erilleen aurinkotuulesta. Se ulottuu Auringon suunnalla noin kymmenen Maan säteen päähän ja yöpuolella satojen Maan säteiden päähän. Magneettikehässä kulkee voimakkaita sähkövirtoja, ja siellä syntyy hiukkasryöppyjä, jotka näkyvät ilmakehässä revontulina. Myös muilla magnetoituneilla planeetoilla on omat magnetosfäärinsä.

Aurinkotuuli kohtaa Maan magneettikentän

Hieman magneettikehän ulkopuolella Maata lähestyvä aurinkotuuli törmää keulasokkiin. Sokki eli iskurintama hidastaa yliäänennopeudella lähestyvän virtauksen aliääniseksi, minkä jälkeen virtaus voi kiertää tiellään olevan esteen eli tässä tapauksessa magneettikehän. Samanlainen iskurintama muodostuu aina kun jokin kappale liikkuu kaasussa ääntä nopeammin, esimerkiksi yliäänilentokoneen eteen.

kaavakuva magneettikehän rakenteesta

Magneettikehän halkileikkaus. Pohjoinen on ylhäällä ja Aurinko vasemmalla. Mustat viivat ovat Maan magneettikentän kenttäviivoja. Pyrstö jatkuu oikealle kauas kuvan ulkopuolelle.
Kuva: Tiera Laitinen
 

Keulasokin ja magneettikehän väliin jää huotra eli pyörteinen välivyöhyke. Se on alue, jossa kokoon puristunut aurinkotuulen aine kiertää magneettikehän ohi. Huotran tiheys on suurin Maasta katsoen Aurinkoa kohti olevassa osassa ja pienenee reunoja kohti samalla kun virtausnopeus kasvaa. Plasman mukana myös aurinkotuulen magneettikenttä puristuu keulasokilla ja huotrassa kokoon, jolloin sen voimakkuus kasvaa ja suunta muuttuu. Huotran plasma on usein pyörteistä ja siinä esiintyy keulasokilla tai sen takana alkunsa saaneita aaltoja ja epätasaisuuksia.

Magneettikehän ulkoreunaa kutsutaan magnetopausiksi. Se on samalla Maan ja Auringon magneettikenttien välinen rajapinta. Koska sähkövaraukselliset hiukkaset seuraavat kukin omaa magneettikenttäviivaansa, huotran plasma ei pääse virtaamaan magneettikehään. Keskinäiset törmäykset kuitenkin häiritsevät hiukkasten liikettä sen verran, että muutamat pääsevät aina tihkumaan magnetopausin läpi. Lisäksi Maan ja Auringon magneettikentät usein kytkeytyvät toisiinsa jossakin kohtaa magnetopausilla, ja kytkeytymiskohdasta pääsee runsaammin aurinkotuulen ainetta magneettikehään.

Helpoimmin plasma pääsee magnetopausin läpi napaonkaloiden kohdalla. Maan magneettikentän dipolimuodosta seuraa, että magneettikehään jää kaksi tällaista suppilonmuotoista syvennystä. Niiden kohdalla magnetopausi on epämääräinen, koska Maan magneettikenttä ei kulje sen suuntaisesti. Kenttäviivat ohjaavat napaonkaloiden sisäpäät maapallolle magneettisten napojen lähelle. Onkaloita myöden huotran plasmalla on suora reitti ilmakehään ja vastaavasti ionosfäärin hiukkasilla ulos magneettikehästä. Napaonkaloissa plasman tiheys on suurempi ja magneettikenttä heikompi kuin magneettikehän ympäröivissä osissa.

Magneettikehän pyrstö

Aurinkotuulen virtauspaine taivuttaa Maan magneettisten napojen läheltä lähtevät kenttäviivat pitkäksi Auringosta poispäin osoittavaksi pyrstöksi. Pyrstö jakaantuu kahteen puoliskoon eli pyrstölohkoon, joissa on vastakkaissuuntaiset magneettikentät: pohjoisessa kenttäviivat kulkevat kohti Maata, etelässä poispäin. Pyrstölohkojen kenttäviivat leikkaavat maanpinnan magneettisten napojen ympäristössä, ja revontuliovaali ympäröi näiden kenttäviivojen muodostamaa kimppua.

Pyrstölohkot ovat magneettikehän tyhjintä aluetta, sillä plasman tiheys on niissä vain noin 0,01 hiukkasta kuutiosentissä. Pyrstölohkojen välisessä plasmalevyssä ja magnetopausin viereisessä plasmavaipassa tiheys on vähän suurempi, suuruusluokaltaan 0,1 hiukkasta kuutiosentissä. Sekin on vielä paljon vähemmän kuin aurinkotuulen tiheys muutama hiukkanen kuutiosentissä. Magneettikehä on siis suurimmaksi osaksi tyhjä kolo aurinkotuulessa. Siellä oleva vähäinen kaasumäärä on osaksi magnetopausin läpi vuotanutta aurinkotuulen ainetta, osaksi ilmakehästä karannutta kaasua.

Magneettikehän sisäosat

Magneettikentän sisempiin silmukoihin jää vangiksi runsaasti ilmakehän yläosasta eli ionosfääristä karannutta viileää plasmaa. Se muodostaa Maan ympärille plasmasfäärin eli plasmakehän, jonka tiheys on suuruusluokkaa 1000 hiukkasta kuutiosentissä. Tämä ”kehä” muistuttaa muodoltaan päiväntasaajan tasolla olevaa pulleaa munkkirinkilää, jonka reiän maapallo tukkii. Plasmasfäärin koko vaihtelee, kun sen ulko-osan plasma ajoittain karkailee avaruuteen, mutta tyypillisesti se ulottuu 2–4 Maan säteen (10 000 – 25 000 km) päähän maanpinnasta.

Kenttäviivojen vangiksi jää myös suurienergiaisia hiukkasia. Ne muodostavat kaksi Maata ympäröivää rengasta, jotka on nimetty löytäjänsä mukaan Van Allenin säteilyvyöhykkeiksi tai -vöiksi. Ulomman säteilyvyöhykkeen suurienergiaiset hiukkaset ovat pääosin elektroneja, sisemmässä on sekä protoneja että elektroneja. Van Allenin vyöt lisäävät merkittävästi avaruuslentäjien saamaa säteilyannosta, joten miehitettyjen lentojen radat pyritään suunnittelemaan niin, että säteilyvyöhykkeiden läpi mennään nopeasti eikä niiden kohdalle jäädä kiertoradalle.
 

Sähkövirrat

Magneettikehässä kiertää monimutkainen sähkövirtojen järjestelmä. Virrat erottavat toisistaan erisuuntaisten tai -suuruisten magneettikenttien alueita Ampèren lain mukaisesti.

magneettikehän sähkövirtoja simulaatiossa

Magneettikehän sähkövirtoja tietokonesimulaatiossa. Voimakkaimmat virrat näkyvät magnetopausin etuosassa ja pyrstölohkojen välissä; myös keulasokki erottuu hyvin. Keskellä oleva pallo on simulaatioalueen sisäreuna. Se on Maan kohdalla, mutta 3,7 kertaa isompi. Keltaiset viivat kuvaavat magneettikenttää ja vaaleansiniset plasman virtausta.
 

Pyrstölohkot ovat ikään kuin suuria solenoideja. Kumpaakin lohkoa kiertää sähkövirta, joka kulkee magnetopausia pitkin pyrstön länsi- eli iltapuolelta aamupuolelle. Siellä virrat yhdistyvät ja kulkevat lohkojen välissä olevaa plasmalevyä pitkin takaisin iltapuolelle. Tätä yhdistynyttä virtaa kutsutaan pyrstön virtalevyksi, ja siinä ilmenevillä virrankulun häiriöillä on tärkeä osa magneettikehän dynamiikassa.

Magnetopausin päivänpuoleisella osan virtajärjestelmää kutsutaan Chapmanin ja Ferraron virroiksi. Niiden suuruus ja osin suuntakin vaihtelevat aurinkotuulen ja huotran magneettikentän suunnasta riippuen, mutta tyypillisesti ne muodostavat napaonkaloiden ympäri kiertäviä virtasilmukoita.

Ulomman säteilyvyöhykkeen tienoilla Maata kiertää rengasvirta länteen eli pohjoisesta katsottuna myötäpäivään. Rengasvirta voimistuu magneettikehän myrskyjen aikana, mikä voidaan mitata maanpinnalla suhteellisen hitaana (tuntien tai päivien ajanjaksolla muuttuvana) magneettisena häiriönä.

Virrankuljettajina magneettikehässä toimivat plasman elektronit, protonit ja muut ionit. Koska ne pääsevät liikkumaan paljon helpommin magneettikentän suuntaisesti kuin sen poikki, resistiivisyys eli sähkövirran kokema vastus on magneettikentän suuntaiselle virralle paljon pienempi kuin muunsuuntaiselle. Helpoimmin sähkövirrat pääsevät siis kulkemaan magneettikenttää pitkin niin kutsuttuina kentänsuuntaisina virtoina.

Kun sähkövirran pitäisi päästä kenttäviivojen poikki, mutta virrankuljettajia on harvassa tai resistiivisyys muusta syystä suuri, virta voi etsiä itselleen helpomman kiertotien: se kulkee kentänsuuntaisena virtana pienemmän resistiivisyyden alueelle, taivaltaa siellä kenttäviivojen poikki ja palaa sitten taas kentänsuuntaisena virtana ”alkuperäiselle” reitilleen.

Magneettikehän virroille tuo kenttäviivojen poikki kulkua helpottava pienemmän resistiivisyyden alue on usein ionosfääri, koska siellä plasma on tiheämpää: virrankuljettajia on runsaasti ja niiden törmäykset toistensa sekä neutraalien atomien kanssa heikentävät magneettikentän otetta niistä. Osa magnetopausin virroista, rengasvirrasta ja ajoittain myös pyrstön virtalevyn virrasta ohjautuu kentänsuuntaisina virtoina Maan napa-alueiden ionosfääriin, jossa ne kulkevat pätkän matkaa palatakseen sitten toisia kenttäviivoja myöten takaisin avaruuteen. Virtaa ionosfääriin tuovat ja sieltä vievät samat hiukkaset, joiden törmäily ilmakehän atomeihin synnyttää revontulivalon.