Nie możemy jej zobaczyć, a jednak każdego dnia chroni naszą planetę przed strumieniem naładowanych cząstek docierających ze Słońca. Magnetosfera to rozległy obszar wokół Ziemi, w którym dominującą rolę w ruchu naładowanych cząstek odgrywa ziemskie pole magnetyczne. To dzięki niej większość cząstek wiatru słonecznego zostaje odchylona, zanim dotrze do atmosfery. Jej oddziaływanie odpowiada również za jedno z najbardziej widowiskowych zjawisk obserwowanych na ziemskim niebie – zorzę polarną.
Skąd bierze się ziemskie pole magnetyczne?
Źródło pola magnetycznego Ziemi znajduje się głęboko pod naszymi stopami. W zewnętrznym jądrze planety, zbudowanym głównie z ciekłego żelaza i niklu, zachodzą intensywne ruchy materii. Przepływ dobrze przewodzącego prąd ciekłego metalu, w połączeniu z ruchem obrotowym Ziemi, umożliwia działanie geodynama, które podtrzymuje globalne pole magnetyczne.
W dużym uproszczeniu przypomina ono pole wytwarzane przez magnes sztabkowy, ale w rzeczywistości jest znacznie bardziej skomplikowane i nieustannie się zmienia. Magnetyczne bieguny nie pokrywają się z biegunami geograficznymi, przemieszczają się, a w geologicznej historii Ziemi wielokrotnie dochodziło nawet do odwrócenia polarności pola magnetycznego.
Pole magnetyczne rozciąga się daleko w przestrzeń kosmiczną, tworząc wraz z uwięzionymi w nim naładowanymi cząstkami magnetosferę.
Słońce nieustannie bombarduje Ziemię
Słońce emituje nie tylko światło i ciepło. Z jego zewnętrznej atmosfery – korony słonecznej – nieustannie wypływa wiatr słoneczny, czyli strumień plazmy składającej się przede wszystkim z protonów i elektronów oraz mniejszych ilości cięższych jonów.
Cząstki te przemieszczają się przez przestrzeń międzyplanetarną z prędkościami sięgającymi zwykle kilkuset kilometrów na sekundę. Gdy docierają w pobliże Ziemi, napotykają jej pole magnetyczne.
Magnetosfera działa wówczas jak ogromna, niewidzialna przeszkoda. Większość naładowanych cząstek zostaje odchylona i opływa naszą planetę.
Nie oznacza to jednak, że magnetosfera jest szczelną osłoną. Część energii i cząstek może przedostawać się do jej wnętrza, zwłaszcza w wyniku rekoneksji magnetycznej – procesu, podczas którego linie międzyplanetarnego i ziemskiego pola magnetycznego zmieniają swoje połączenia. Część cząstek zostaje również uwięziona w ziemskim polu magnetycznym, m.in. w otaczających planetę pasach radiacyjnych Van Allena.
Magnetosfera nie ma kształtu kuli
Wiatr słoneczny nieustannie napiera na ziemskie pole magnetyczne, dlatego magnetosfera jest silnie asymetryczna. Od strony Słońca zostaje ściśnięta. Jej zewnętrzna granica – magnetopauza – znajduje się zazwyczaj w odległości około 10 promieni Ziemi od środka naszej planety, choć jej położenie zmienia się wraz z aktywnością Słońca.
Po przeciwnej stronie sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Wiatr słoneczny rozciąga ziemskie pole magnetyczne, tworząc długi ogon magnetosferyczny, który ciągnie się daleko w przestrzeń kosmiczną. Można więc powiedzieć, że magnetosfera przypomina ogromną kroplę lub kometę: spłaszczoną od strony Słońca i silnie wydłużoną po stronie nocnej.
Kiedy Słońce urządza nam burzę
Aktywność Słońca nie jest stała. Szczególnie duże zaburzenia w otoczeniu Ziemi mogą powodować koronalne wyrzuty masy (CME) – ogromne obłoki namagnesowanej plazmy wyrzucane z korony słonecznej – oraz strumienie szybkiego wiatru słonecznego.
Jeżeli takie zaburzenie dotrze do Ziemi i odpowiednio oddziałuje z jej polem magnetycznym, może rozpocząć się burza geomagnetyczna.
Skutki nie ograniczają się do efektownych zórz. Zmiany ziemskiego pola magnetycznego mogą indukować prądy w długich przewodnikach znajdujących się na powierzchni Ziemi. Zagrożone mogą być sieci elektroenergetyczne, rurociągi i inne rozległe instalacje. Burze geomagnetyczne mogą również wpływać na pracę satelitów, łączność radiową oraz dokładność systemów nawigacji satelitarnej.
Jednym z najbardziej znanych przykładów jest burza geomagnetyczna z marca 1989 roku. Doprowadziła ona do awarii sieci Hydro-Québec w Kanadzie. W ciągu kilkudziesięciu sekund system elektroenergetyczny uległ załamaniu, a około 6 milionów ludzi zostało pozbawionych prądu na 9 godzin.
Jeszcze bardziej spektakularne wydarzenie miało miejsce w 1859 roku. Podczas tzw. zdarzenia Carringtona niezwykle silna burza geomagnetyczna wywołała zakłócenia sieci telegraficznych. W niektórych urządzeniach pojawiały się iskry, a zorze polarne obserwowano wyjątkowo daleko od obszarów polarnych.
Skąd biorą się zorze polarne?
To właśnie podczas zwiększonej aktywności geomagnetycznej możemy obserwować najbardziej widowiskową stronę oddziaływania Słońca z magnetosferą.
Naładowane cząstki kierowane przez ziemskie pole magnetyczne mogą docierać w okolice biegunów i przenikać do górnych warstw atmosfery. Tam zderzają się z atomami i cząsteczkami gazów, przede wszystkim tlenu i azotu, przekazując im energię.
Wzbudzone atomy i cząsteczki po chwili oddają tę energię w postaci światła. Powstaje charakterystyczna poświata układająca się w smugi, łuki, kurtyny i wstęgi – zorza polarna.
Jej kolor nie jest przypadkowy. Zależy m.in. od rodzaju gazu, wysokości, na której zachodzą zderzenia, oraz energii cząstek. Najczęściej obserwowana zielona zorza związana jest z emisją wzbudzonych atomów tlenu. Tlen może odpowiadać również za rzadsze czerwone światło, natomiast azot i jego jony uczestniczą w powstawaniu odcieni niebieskich, fioletowych i różowych.
Zorze najczęściej występują w pasach otaczających bieguny magnetyczne, zwanych owalami zorzowymi. Podczas silnych burz geomagnetycznych owale te rozszerzają się w kierunku niższych szerokości geograficznych. Dlatego przy wyjątkowo intensywnej aktywności Słońca zorze mogą być obserwowane również w Polsce.
Niewidzialny układ chroniący planetę
Magnetosfera nie działa sama. Ochrona powierzchni Ziemi przed środowiskiem kosmicznym jest efektem współdziałania pola magnetycznego i atmosfery. Magnetosfera skutecznie zmienia trajektorie wielu energetycznych cząstek naładowanych, natomiast atmosfera pochłania znaczną część wysokoenergetycznego promieniowania docierającego w kierunku powierzchni.
Ziemia nie jest przy tym jedyną planetą posiadającą magnetosferę. Rozbudowane pola magnetyczne mają m.in. Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Szczególnie imponująca jest magnetosfera Jowisza – największa struktura tego typu w Układzie Słonecznym.
