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
Aurinkotuuli koostuu sähkövarauksellisista hiukkasista, joiden liikesuuntaa magneettikenttä kääntää. Siksi aurinkotuuli ei pääse puhaltamaan maapallolle asti, vaan planeettamme magneettikenttä torjuu sen. Aurinkotuulen paine puolestaan lytistää Maan magneettikenttää maapallon päiväpuolella. Yöpuolella magneettikenttä venyy pitkäksi pyrstöksi, joka liehuu aurinkotuulessa kuin tuulipussi. Aurinkotuulen virtaus on yliäänistä, joten magneettikehän eteen muodostuu iskurintama eli keulasokki. Siihen törmätessään aurinkotuuli hidastuu aliääniseksi ja puristuu samalla tiheämmäksi. Keulasokin ja magneettikehän väliin jää pyörteinen puristumisvyöhyke, jossa aurinkotuuli hidastuu lisää ja muuttaa suuntaansa kiertämään magneettikehän sivuitse. Magneettikehän ulkoreunaa kutsutaan magnetopausiksi. Se on samalla Maan ja Auringon magneettikenttien välinen rajapinta. Aurinkotuuli ei pääsääntöisesti pääse virtaamaan magnetopausin läpi, mutta vuotoja esiintyy. Jatkuvimmin aurinkotuulen hiukkasia pääsee magneettikehään napaonkaloita pitkin. 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. Huippuvuorilla voi talviaikaan keskipäivällä nähdä napaonkaloita pitkin tulleiden hiukkasten synnyttämiä revontulia.
Pyrstö synnyttää revontulia
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. Yllä olevassa kuvassa pyrstölohkot on väritetty vaaleimman turkoosilla.
Pyrstölohkot ovat magneettikehän tyhjintä aluetta, sillä tiheys niissä vain noin 0,01 hiukkasta kuutiosentissä - alle sadasosa aurinkotuulen tiheydestä. Pyrstölohkojen väliin jää plasmalevy, jonka tiheys on noin kymmenkertainen. Se on kuvassa tummemman turkoosi. Plasma tarkoittaa sähkövarauksellisista hiukkasista koostuvaa kaasua.
Plasmalevy erottaa toisistaan pyrstölohkojen vastakkaissuuntaisia magneettikenttiä. Tämä asetelma on epävakaa. Toisinaan - tyypillisesti joitain kertoja vuorokaudessa - vastakkaiset magneettikentät pääsevät yhtymään plasmalevyssä. Silloin vapautuu magneettista energiaa, joka sysää hiukkasia syöksymään kohti Maata magneettikenttäviivoja pitkin. Ilmakehään osuessaan nämä hiukkaset synnyttävät öisiä revontulinäytöksiä.
Magneettikehän sisäosat
Maan magneettikentän sisempiin silmukoihin jää vangiksi runsaasti ilmakehän yläosasta karannutta viileää plasmaa. Se muodostaa Maan ympärille plasmasfäärin eli plasmakehän, jonka tiheys on jopa noin 1000 hiukkasta kuutiosentissä. Muodoltaan se muistuttaa 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. Kuvassa plasmasfääri on vaalean violetti.
Magneettikentän 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. Kuvassa säteilyvyöt ovat tumman violetteja.
Sähkövirrat
Magneettikehässä kiertää monimutkainen sähkövirtojen järjestelmä. Virrat erottavat toisistaan erisuuntaisten tai -suuruisten magneettikenttien alueita Ampèren lain mukaisesti.
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 magneettikentän suunnasta riippuen, mutta tyypillisesti ne muodostavat napaonkaloiden ympäri kiertäviä silmukoita.
Ulomman säteilyvyöhykkeen tienoilla Maata kiertää rengasvirta länteen eli pohjoisesta katsottuna myötäpäivään. Rengasvirta voimistuu magneettisten myrskyjen aikana, mikä havaitaan maanpinnalla magneettikentän lievänä heikkenemisenä. Magneettisten myrskyjen voimakkuuden mittana käytetäänkin magneettisten observatorioiden havainnoista koostettua Dst-indeksiä, joka kertoo suoraan rengasvirran voimakkuudesta.
Virrankuljettajina magneettikehässä toimivat plasman elektronit, protonit ja muut ionit. Koska ne pääsevät liikkumaan paljon helpommin magneettikentän suuntaisesti kuin sen poikki, 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 vastus eli 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 ilmakehän yläosan 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.