Astronomie

Les champs magnétiques affectent-ils les anneaux planétaires ?

Les champs magnétiques affectent-ils les anneaux planétaires ?

Les anneaux planétaires semblent généralement se former sur le plan de l'écliptique à cause de la rotation de la planète, mais je me demandais quel type d'effet le champ magnétique de la planète pourrait avoir sur le système d'anneaux. Cela aiderait-il à maintenir le système d'anneaux ensemble, le perturberait-il ou aurait-il peu ou pas d'effet ? Et si les pôles magnétiques étaient sur ou près de l'écliptique ?


(Je suppose que ces planètes orbitent autour d'une étoile.) Les anneaux planétaires sont formés par la capture gravitationnelle de petits objets, principalement de la glace et de la poussière. Ces particules peuvent être magnétiques et dans de tels cas seraient affectées par le champ magnétique planétaire. Il faut aussi souligner que le champ magnétique n'est pas vraiment uniforme, mais supposons qu'il l'est. La présence d'un champ magnétique serait importante pour la subsistance d'un anneau, mais la stabilité de l'anneau est une question entièrement différente. Si l'anneau est constitué de matériaux magnétiquement sensibles, des fluctuations suffisamment importantes du champ magnétique peuvent en principe rendre l'anneau instable. Donc, en fonction de la réponse de stabilité, je choisis de dire oui, cela dépend du champ magnétique. Calculer la stabilité serait un problème complexe à n corps mais qui peut être moyenné.


Il existe des structures radiales dans les anneaux de Saturne appelées rayons, qui sont probablement produites par un mécanisme impliquant des effets électromagnétiques liés au champ magnétique de Saturne. Ainsi, il semblerait certainement que certains aspects des phénomènes annulaires soient affectés par les champs magnétiques.


Formation d'anneaux

Théorie générale de la formation

La raison pour laquelle les anneaux se forment dans le plan écliptique de la rotation de la planète est la même raison pour laquelle les planètes se trouvent généralement dans le plan équatorial d'une étoile. Pendant la formation des étoiles/planètes, les collisions et la pression des particules et des gaz avec des orbites dans des directions différentes font que les débris orbitent généralement dans la même direction afin de conserver le moment angulaire. Cela aide le matériau à tourner dans la même direction. Alors que la force centrifuge "attire" les particules vers l'extérieur de l'axe de révolution orbital, la gravité tire tout radialement vers l'intérieur. Il y a donc une composante de gravité qui tire les choses au-dessus du plan équatorial vers le plan équatorial, et vice-versa. Au fil du temps, avec de nombreuses collisions, les particules et les gaz se déposent dans le plan équatorial. Dans le cas d'une étoile, le vent solaire repousse le gaz, mais il reste de plus gros morceaux de matière. Il y a un article sur les astrobites qui résume assez bien cela.

Influences magnétiques sur la formation d'anneaux

Le champ magnétique d'une planète peut-il affecter la formation des anneaux ? La réponse courte est que cela dépend d'un certain nombre de facteurs:

  • Si les anneaux sont chargés (c'est-à-dire du plasma), les particules annulaires légères interagiront avec le champ magnétique. En général, le résultat de cette interaction est d'essayer de faire orbiter les matériaux de l'anneau avec la même vitesse angulaire que le champ magnétique tournant. (Dans le cas de Saturne, cela provoque une accélération du plasma dans le plan de l'anneau et un ralentissement du champ magnétique.)
  • Si les anneaux ont une charge électrique neutre, ils ne peuvent pas du tout interagir directement avec le champ magnétique.
  • Si le champ magnétique est tel qu'il canalise des ceintures de rayonnement de type Van Allen à travers le plan de l'anneau, alors le plasma circulant le long des lignes de champ magnétique pourrait interagir avec les particules de l'anneau. Les radiations et les ions pourraient entrer en collision avec des particules annulaires, les renversant de leur orbite, provoquant des réactions chimiques ou provoquant un échange de charges.
  • Le rayonnement stellaire, les micrométéorites et le plasma ionisé provenant d'autres sources (par exemple, une lune comme Encelade) peuvent bombarder les particules annulaires avec de l'énergie qui provoque l'ionisation - un photon sépare une molécule ou fait tomber un électron d'un atome, provoquant son ionisation. Cela rend alors les particules annulaires chargées, leur permettant d'interagir avec le champ magnétique.
  • Le plasma ionisé provenant d'autres sources (encore une fois, comme Encelade) interagira avec le champ magnétique. Si le plasma est suffisamment dense, il peut conférer un élan ou une pression aux anneaux comme une bouffée d'air soufflant sur des carillons éoliens.

Les recherches en cours

Il existe des preuves solides que le champ magnétique de Saturne est interagir avec ses anneaux. Dans le cas de Saturne, les courants électriques de l'ionosphère et de la thermosphère circulent le long des lignes de champ magnétique à travers le plan de l'anneau. Ces courants interagissent avec ce qu'on appelle le "plasma en anneau". On ne sait pas pour le moment quel effet le plasma annulaire a sur les anneaux, ou quel est l'effet des anneaux sur le champ magnétique. (C'est en partie parce que personne ne sait comment estimer la conductivité électrique des anneaux !)

Mon hypothèse personnelle - en tant que personne faisant des recherches actives en électrodynamique dans la haute atmosphère de Saturne - est qu'un champ magnétique en rotation aidera (indirectement) à transporter le moment angulaire de la planète en rotation vers les anneaux ionisés, les faisant orbiter légèrement plus loin qu'ils ne le feraient normalement. .


Ed Thomas : Utilisation des champs magnétiques et de la microgravité pour explorer la physique des plasmas poussiéreux

Au cours des trois dernières décennies, les scientifiques du plasma ont appris à contrôler un nouveau type de système plasma connu sous le nom de plasma « complexe » ou « poussiéreux ». Il s'agit de systèmes plasma à quatre composants constitués d'électrons, d'ions, d'atomes neutres et de particules solides chargées de la taille du nanomètre au micromètre. La présence de ces microparticules nous permet de « régler » le plasma pour qu'il ait des propriétés de type solide, fluide ou gazeux. Cela signifie que les plasmas poussiéreux ne sont pas seulement un quatrième état de la matière - ils peuvent adopter les propriétés des quatre états de la matière.

Des régions de formation d'étoiles aux anneaux planétaires en passant par les expériences de fusion, des microparticules chargées peuvent être trouvées dans de nombreux systèmes plasmatiques naturels et artificiels. Par conséquent, la compréhension de la physique des plasmas poussiéreux peut fournir de nouvelles informations sur un large éventail de problèmes astrophysiques et technologiques. Cette présentation présente les propriétés physiques des plasmas poussiéreux – en se concentrant sur la façon dont le faible rapport charge/masse des microparticules chargées donne naissance à de nombreuses caractéristiques du système. En particulier, les plasmas poussiéreux peuvent être utilisés pour étudier une variété de processus dans des systèmes hors équilibre ou dissipatifs tels que l'auto-organisation et la cascade d'énergie ainsi qu'une variété de mécanismes de transport et d'instabilité. Cette présentation discutera des résultats de nos études de plasmas poussiéreux dans des champs magnétiques élevés (B ≥ 1 T) en utilisant le dispositif Magnetized Dusty Plasma Experiment (MDPX) à l'Université d'Auburn et dans des expériences de microgravité en utilisant le laboratoire Plasmakristall-4 (PK-4) sur la Station spatiale internationale.


Évolution planétaire comparée

Anneaux planétaires

Depuis les photos de Voyager des anneaux planétaires dans les planètes extérieures, l'origine des anneaux planétaires a pris une nouvelle signification. Certains ont suggéré que les anneaux de Saturne peuvent être utilisés comme un analogue de la nébuleuse solaire à partir de laquelle le système solaire s'est formé. Bien que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune soient maintenant tous connus pour avoir des systèmes d'anneaux, ils sont tous différents et aucune théorie commune ne peut tous les expliquer. Bien que les anneaux de Saturne soient de grand diamètre, l'épaisseur des anneaux est probablement inférieure à 50 m. La taille moyenne des particules dans les anneaux n'est que de quelques mètres et des particules uniques orbitent autour de la planète en une journée environ. Trois modèles ont attiré le plus d'attention pour l'origine des anneaux planétaires. Dans les deux premiers modèles, des anneaux sont formés avec la planète mère comme restes d'un disque d'accrétion ou de morceaux brisés de satellites. Cependant, aucune de ces origines n'est probable, dans la mesure où les anneaux n'auraient pas dû survivre au-delà de quelques millions d'années et, comme indiqué ci-dessous, les anneaux auraient dû s'accréter en satellites. Alternativement, les anneaux peuvent être les débris résultant de la perturbation de comètes capturées comme Charon, le satellite de Pluton. Dans ce modèle, les petites particules deviennent des anneaux et les plus gros fragments peuvent devenir des satellites. Si les anneaux autour des planètes géantes sont des restes de comètes capturées, ce sont des retardataires dans le système solaire, puisque, comme nous le verrons plus loin, les comètes sont parmi les plus jeunes membres du système solaire.


Une planète à fleur de peau

Comme la Terre, l'axe de rotation de Saturne est incliné. Pendant la moitié d'une année de Saturne, la planète aux anneaux semble s'incliner vers le soleil, qui illumine alors le sommet des anneaux. Pendant l'autre moitié de l'année, Saturne semble se pencher en arrière et le soleil illumine Saturne au pôle sud et au bas des anneaux. Cependant, pendant deux brèves périodes dans chacune des orbites de Saturne autour du soleil, le bord de l'anneau ne pointe pas en dessous ou au-dessus du soleil, mais directement vers lui. Cet événement, appelé équinoxe, donne aux hémisphères nord et sud de Saturne des quantités égales de lumière solaire pendant une brève période. Mais Saturne met environ 30 années terrestres pour orbiter autour du soleil, donc son équinoxe ne se produit qu'une fois tous les 15 ans.

De la même manière qu'un arbre au coucher du soleil peut avoir une ombre plusieurs fois plus longue que la hauteur réelle de l'arbre, l'équinoxe de Saturne a produit des ombres qui amplifiaient les caractéristiques de l'anneau qui étaient trop subtiles pour être observées. &ldquoNous voulions voir si les anneaux étaient déformés,&rdquo Spilker a déclaré. &ldquoIls&rsquo n&rdquo.&rdquo Mais les observations de Cassini ont montré que, par endroits, les anneaux de Saturne sont beaucoup moins lisses que ne le pensaient les scientifiques.

D'innombrables amas glacés dans les anneaux projettent de grandes ombres sur les anneaux. Les scientifiques pensaient qu'ils mesuraient les caractéristiques en pieds (ou en mètres), mais ont découvert que les plus grandes caractéristiques de projection d'ombres se trouvaient à des miles (kilomètres) au-dessus des particules annulaires environnantes. Certaines des touffes et des bosses étaient aussi hautes que les montagnes Rocheuses.

Pendant l'équinoxe, Cassini a également surveillé la température des anneaux avec un spectromètre infrarouge, car la température aide les scientifiques à comprendre la composition, la taille, la forme et d'autres caractéristiques des particules annulaires. Parce que la lumière du soleil frappait les anneaux sur leur bord plutôt que sur leur large visage, les températures dans les anneaux ont chuté plus bas que quiconque n'y avait enregistré auparavant. Cassini a vu l'anneau A, par exemple, refroidir à moins 382 degrés Fahrenheit (moins 230 degrés Celsius).

De plus, Cassini a utilisé l'équinoxe pour observer certains phénomènes connus qui sont mal compris. L'une de ces caractéristiques sont les "rayons". Vus pour la première fois par le vaisseau spatial Voyager dans les années 1980, les rayons sont ainsi nommés parce qu'ils sont des caractéristiques radiales en forme de doigt ou de coin dans les anneaux de Saturne qui tournent avec les anneaux, rappelant les rayons d'une roue.

Les rayons étaient invisibles de 1998 à 2005, l'année suivant l'entrée de Cassini sur l'orbite de Saturne, ce qui a surpris les scientifiques. Et en 2008, les rayons sont réapparus dans leur intégralité et Cassini a capturé des images, dont certaines ont été enfilées dans une vidéo.

Rayons, touffes, hélices, lunes, anneaux qui forment des lunes et des lunes qui font des anneaux &ndash on ne peut que deviner comment Galilée aurait réagi s'il avait pu voir les anneaux déroutants de Saturne comme Cassini, et tout le monde, peut maintenant les voir.


Qu'est-ce qui (le cas échéant) peut provoquer un déplacement substantiel et stable des pôles magnétiques d'une planète habitable loin de ses pôles géographiques ?

La plupart des planètes ont des pôles magnétiques qui s'alignent assez bien avec leurs pôles géographiques. Sur terre, par exemple, le champ magnétique dipolaire est incliné d'environ 11 degrés par rapport à l'axe de rotation. Pour autant que je sache, c'est une conséquence de la façon dont le champ magnétique est généré. Bien que je ne sois en aucun cas un expert en théorie de la dynamo, voici l'essentiel de ce que j'ai compris : le courant de convection dans le noyau externe en fusion génère des champs magnétiques. L'effet Coriolis les aligne dans des flux (vaguement) hélicoïdaux et aligne ainsi les champs dans un champ dipolaire magnétique planétaire. Des processus similaires s'appliquent également aux géantes gazeuses, mais je ne pense pas qu'ils soient pertinents ici, car la planète en question doit être habitable pour une vie humaine.

Sur Uranus, cependant, cette inclinaison entre l'axe de rotation et le champ magnétique est 59 degrés. Cela peut être dû au fait que le champ magnétique d'Uranus est généré d'une manière complètement différente, plus proche de la surface de la planète.

Qu'est-ce qui pourrait provoquer une inclinaison stable du champ magnétique d'une planète à une échelle similaire (>35 degrés) alors que la planète doit encore remplir les critères suivants :

  • Il doit être habitable à la vie, y compris la vie intelligente
  • L'inclinaison de l'axe de rotation doit être similaire à celle de la terre, pour tenir compte des saisons
  • Si nécessaire, aucune marée ou marées plus fortes que sur terre ne sont acceptables, tant qu'elles permettent encore la navigation avec la technologie de la fin du Moyen Âge (navires en bois)
  • Le cycle jour/nuit sur cette planète devrait être similaire à celui de la Terre (donc pas de verrouillage de marée avec l'étoile hôte ou quelque chose de similaire. Des jours plus longs ou plus courts sont acceptables tant qu'ils ne sont pas excessifs)
  • « stable » dans ce contexte signifie que les pôles magnétiques ne devraient pas se déplacer d'une quantité appréciable sur des milliers d'années, de sorte que de nombreuses générations de vie intelligente verraient une boussole pointer fondamentalement dans la même direction. Les inversions de pôles, comme nous le voyons sur terre, sont acceptables.

Voici une liste de choses auxquelles j'ai déjà pensé, et pourquoi je les ai jetées. Tous seraient acceptables, si vous pouvez les faire fonctionner d'une manière ou d'une autre :

  • Un satellite naturel ou une planète binaire avec son propre champ magnétique (d'après ce que je peux dire, ils auraient soit besoin d'un champ magnétique ridiculement fort, soit être très proches pour affecter de manière significative le champ magnétique de notre planète)
  • Un anneau planétaire (Même si dans notre système solaire, seules les géantes gazeuses ont des anneaux, des planètes plus petites/moins massives pourraient également en avoir. Cependant, le simple fait d'avoir un anneau fait de glace/de roches n'affecterait pas la magnétosphère de la planète à grande échelle . Pourraient-ils être d'un matériau qui influence davantage le champ magnétique ?)
  • Courants annulaires (Bien que les courants annulaires puissent affecter la magnétosphère, ils en dépendent en premier lieu, car ils sont créés par des particules chargées piégées dans la magnétosphère. Je ne vois aucun moyen de tourner arbitrairement le courant annulaire)
  • Un noyau de fer solide qui s'est refroidi en présence d'un fort champ magnétique. Cela verrouillerait le champ magnétique du noyau en place et le transformerait essentiellement en un aimant permanent. Ce champ magnétique est indépendant de l'axe de rotation et peut donc être désaligné à volonté. (Cependant, il y a des questions ouvertes auxquelles je ne peux pas trouver de réponses : qu'est-ce qui pourrait raisonnablement créer un champ magnétique assez fort pour cela ? Le champ résultant de l'aimant permanent est-il considérablement plus faible que celui généré par un noyau en fusion ? Et une planète avec un noyau gelé hébergeant la vie ? Le Wiki sur l'habitabilité planétaire mentionne qu'un noyau en fusion est au moins propice à la vie car il est responsable de la tectonique des plaques. Pouvons-nous aller à mi-chemin et avoir un gros noyau interne solide responsable de l'inclinaison du champ magnétique et un plus mince noyau externe en fusion pour la tectonique ?)
  • Une manière complètement différente de générer le champ magnétique qui permet une telle inclinaison (je ne sais pas à quoi cela pourrait ressembler, mais tant que la liste des exigences ci-dessus est remplie, tout est permis.)

Toute solution qui pourrait fonctionner et qui ne figure pas sur cette liste est, bien sûr, également la bienvenue !

Je n'ai, jusqu'à présent, pas parlé de la raison pour laquelle notre monde a besoin de cette inclinaison afin de rendre cet article pertinent pour un plus large éventail de constructeurs du monde (je suis sûr que vous pouvez trouver de nombreuses façons intéressantes qu'une telle inclinaison affecte le monde et ses habitants) Mais pour toute personne intéressée, je vais exposer mes propres raisons ici : Ce monde fantastique médiéval a des climats similaires à ceux de la Terre avec des pôles gelés et des climats plus chauds plus proches de l'équateur. Avec une inclinaison du champ magnétique, les pôles magnétiques tombent dans des climats plus tempérés, dont j'ai besoin. Beaucoup de conflits dans l'histoire découlent du fait qu'un groupe religieux considère ce pôle magnétique aussi important sur le plan spirituel que toutes les boussoles y conduisent et que des aurores peuvent généralement être vues. Ils croient que c'est l'origine du monde à partir duquel leur Dieu créateur a construit vers l'extérieur.

Ceci est mon tout premier post sur n'importe quel StackExchange. J'espère avoir suivi correctement les directives. J'apprécierais tous les commentaires indiquant où je me trompe. J'apprécierais également les commentaires corrigeant les erreurs grammaticales car l'anglais n'est pas ma langue maternelle.


2 réponses 2

Cela a en effet été étudié. J'ai trouvé une thèse de Daniel Jontof-Hutter (2012) qui faisait une analyse de stabilité de particules dans des anneaux en orbite, entre autres, autour de Saturne. Une quantité importante qu'il a étudiée était le rapport de la force électrique à la gravité, $L_*$ . Lorsque $L_*gg1$ , la force électrique dominait (le " régime de Lorentz"), tandis que lorsque $L_*ll1$ , la force gravitationnelle dominait. La valeur exacte de $L_*$ détermine si les anneaux seront stables ou non la présence du champ électromagnétique peut conduire à des instabilités. Il n'y a malheureusement pas de condition de stabilité analytique, nous devons donc nous tourner vers des simulations numériques pour répondre pleinement à votre question.


Les champs magnétiques affectent-ils les anneaux planétaires ? - Astronomie

Je me demande si quelqu'un connaît la réponse. Supposons que des débris tombent sur l'orbite d'une planète, qu'une petite lune tombe dans la limite de roche de la planète, ou quoi que ce soit, où finit l'anneau et pourquoi ?

FAQ de la mission Cassini : Pourquoi les anneaux de Saturne se trouvent-ils tous dans le même plan ? Pourquoi les anneaux planétaires se trouvent-ils toujours dans leurs plans équatoriaux et ne croisent-ils pas parfois leurs pôles ? (http://saturn.jpl.nasa.gov/faq/FAQSaturn/index.cfm#q14)


Si Saturne capture des particules provenant d'autres directions (le long du plan polaire, par exemple), elles auront également tendance à être attirées vers le plan équatorial. La rotation rapide de Saturne crée un effet centrifuge qui produit un renflement autour de son équateur. Avec plus de masse autour de son équateur qu'à ses pôles, la gravité de Saturne est plus forte autour de son milieu, donc les particules entrantes auraient tendance à y être attirées. Une fois dans la zone, ils seraient susceptibles d'entrer en collision avec certaines des nombreuses autres particules en orbite dans ce plan, ce qui les priverait de leur élan initial et les encouragerait à rejoindre la foule se déplaçant le long du plan équatorial.

Les ingénieurs l'ont fait pour qu'il garde sa forme. C'est en fait une expérience de pensée, SI un tel corps existait, des anneaux finiraient-ils encore autour de l'équateur ? Je pense qu'ils auraient toujours tendance à se retrouver à l'équateur en raison du glissement du cadre, mais avec de petits corps de la taille d'une planète, je soupçonne que cela prendrait beaucoup de temps à se produire.

Ils formeraient toujours des anneaux, simplement en raison de l'élan perpendiculaire au plan des anneaux tendant à s'annuler lorsque les particules entrent en collision et interagissent gravitationnellement les unes avec les autres. Cependant, ces bagues auraient peu tendance à s'aligner sur la rotation du roulement à billes géant. Je suis à peu près sûr que le système d'anneaux se désintégrerait bien avant que les effets de glissement de trame ne deviennent pertinents. Tout autre corps en orbite pourrait amener les anneaux à s'aligner sur leurs orbites.

Je suppose que si vous aviez un objet qui ne tournait pas. du tout, alors il n'y aurait pas de renflement de marée pour tirer les particules vers l'équateur.

et s'il était conçu pour que, lorsqu'il tourne, il devienne un corps parfaitement sphérique avec une masse répartie uniformément ?

S'il avait une forme parfaitement sphérique ou non, cela n'aurait pas d'importance.

Un objet de n'importe quelle forme, tournant autour d'un axe, sera toujours plus lourd au plus éloigné de l'axe.

Rassemblez un groupe de personnes, se tenant la main dans une ligne, faites-les toutes s'aligner en sortant d'un seul point, et faites-les courir autour de ce point. La personne qui se tient à ce point se mettra simplement en place. La personne à l'autre bout du fil courra pour suivre. Cette personne a encore à courir.

Et nous savons tous que plus quelque chose bouge vite, plus il gagne de masse. Et plus il devient lourd.

Ainsi, l'équateur de la plupart des planètes tourne avec lui, sans traîner le cadre. Il doit aller plus vite que les poteaux pour conserver sa forme solide (ou semi-solide). Il devient plus lourd et attire tous les débris dans son alignement.

Un corps en orbite peut être perturbé par le renflement équatorial du primaire, ou par des objets plus éloignés. Par exemple, l'orbite de la Lune est plus perturbée par le Soleil que par l'équateur de la Terre. Donc, si une planète tourne lentement, elle aura un petit renflement équatorial et les anneaux seront principalement perturbés par d'autres objets pas le renflement.

Quel genre d'orbites les particules d'anneau suivront-elles autour d'un corps qui est sérieusement non-axisymétrique ?

Fournir une réponse simple,

En supposant que la planète ait une symétrie sphérique parfaite, Fg est le même sur tous les points du champ gravitationnel de surface, alors l'inclinaison de l'anneau ne dépendra que de la façon dont il s'est formé.

En ce qui concerne la planète conçue pour tourner comme une sphère parfaite, les effets relativistes accrus peuvent être annulés en ayant moins de matière dans la région équatoriale (ou moins dense), abaissant ainsi la masse relativiste pour égaler la masse au repos aux pôles.


Quel genre d'orbites les particules d'anneau suivront-elles autour d'un corps qui est sérieusement non-axisymétrique ?

Les instables. Rappelez-vous les maçons sur la lune et les sondes déployées par les vaisseaux spatiaux Apollo. C'est une représentation assez appropriée d'un corps non axisymétrique en ce qui concerne le champ gravitationnel.

J'imagine qu'un anneau autour d'une planète avec une distribution de masse parfaitement sphérique (cependant cette configuration improbable est obtenue) s'installerait dans le plan de l'écliptique. En l'absence d'aplatissement dans le primaire, ce serait le plan invariant pour toutes les particules de l'anneau. Ils précéderaient dans ce plan à des rythmes différents, échangeraient de la quantité de mouvement et s'installeraient dans le plan invariant, par le même processus qui entraîne la formation d'anneaux équatoriaux autour d'une planète conventionnellement aplatie.

J'imagine qu'un anneau autour d'une planète avec une distribution de masse parfaitement sphérique (cependant cette configuration improbable est atteinte)
À quelle distance se trouve la Vénus qui tourne très lentement ?

s'installerait dans le plan de l'écliptique. En l'absence d'aplatissement dans le primaire, ce serait le plan invariant pour toutes les particules de l'anneau. Ils précéderaient dans ce plan à des vitesses différentes, échangeraient de la quantité de mouvement et s'installeraient dans le plan invariant, par le même processus qui entraîne la formation d'anneaux équatoriaux autour d'une planète conventionnellement aplatie.

Mais si la planète tourne, il n'y a pas de "plan" invariant. Pour les anneaux intérieurs, leur précession serait plus proche des anneaux extérieurs de l'équateur de la planète serait plus proche de l'écliptique, mais pas à l'écliptique.

À quelle distance (le cas échéant) de Vénus l'attraction du renflement équatorial de Vénus (aussi petit soit-il) équivaut-elle à l'attraction du Soleil ?

Mais si la planète tourne, il n'y a pas de "plan" invariant. Je suppose que vous parlez d'une planète qui est aplatie à cause de sa rotation, plutôt que de l'hypothétique "roulement à billes" dont nous avons parlé ?
Dans le cas d'une planète aplatie, il existe toujours un plan invariant identifiable pour chaque rayon orbital : le plan varie simplement de l'équatorial à l'écliptique avec l'augmentation du rayon orbital.

Ils précéderaient dans ce plan à des rythmes différents, échangeraient de l'élan,

Quelles particules peuvent échanger de la quantité de mouvement ?

Si deux anneaux circulaires voisins pouvaient échanger de l'élan, alors les anneaux ne pourraient pas exister - l'anneau intérieur perdrait de l'élan et rétrécirait, l'anneau extérieur se dilaterait. Par conséquent, les anneaux voisins ne peuvent pas échanger de quantité de mouvement.

Or, les anneaux elliptiques ne peuvent pas rester côte à côte, car leurs absides précéderaient à une vitesse différente et ils se heurteraient donc les uns aux autres.

Mais si nous avons un anneau circulaire éloigné de l'équateur/de l'éclipse, alors toutes les particules de l'anneau ont leurs nœuds qui précessent à la même vitesse. Qu'est-ce qui empêche l'anneau de continuer à précesser et le fait se déposer dans un seul plan ?

Quelles particules peuvent échanger de la quantité de mouvement ? Toutes les particules peuvent échanger de la quantité de mouvement.


Si deux anneaux circulaires voisins pouvaient échanger de l'élan, alors les anneaux ne pourraient pas exister - l'anneau intérieur perdrait de l'élan et se rétrécirait, l'anneau extérieur se dilaterait. C'est exactement ce qui se passe. C'est pourquoi les anneaux ont une durée de vie limitée, qui peut être prolongée par l'existence de lunes "bergers" relativement massives sur leurs bords.


Mais si nous avons un anneau circulaire éloigné de l'équateur/de l'éclipse, alors toutes les particules de l'anneau ont leurs nœuds qui précessent à la même vitesse. Qu'est-ce qui empêche l'anneau de continuer à précéder et le fait se déposer dans un seul plan ? Les nœuds ne précessent pas au même rythme, puisque le taux de précession est fonction du rayon orbital. Un anneau hors plan de n'importe quelle largeur significative s'étale donc en une bande épaisse, les particules échangent de la quantité de mouvement par interaction gravitationnelle et l'anneau se dépose dans le plan invariant local.

Fournir une réponse simple,

En supposant que la planète ait une symétrie sphérique parfaite, Fg est le même sur tous les points du champ gravitationnel de surface, alors l'inclinaison de l'anneau ne dépendra que de la façon dont il s'est formé.

En ce qui concerne la planète conçue pour tourner comme une sphère parfaite, les effets relativistes accrus peuvent être annulés en ayant moins de matière dans la région équatoriale (ou moins dense), abaissant ainsi la masse relativiste pour égaler la masse au repos aux pôles.

Les instables. Rappelez-vous les maçons sur la lune et les sondes déployées par les vaisseaux spatiaux Apollo. Ceci est une représentation suffisamment appropriée d'un corps non axisymétrique en ce qui concerne le champ gravitationnel. (gras ajouté)
Je pense que vous vouliez dire mascons (http://www.universetoday.com/2006/06/03/huge-asteroid-crater-in-antarctica/), comme dans les concentrations de masse.

Les petites particules de lune/test ont une masse.

Ils feront monter les marées sur la planète.

La planète ne peut donc pas conserver sa forme parfaitement sphérique. Et donc .

Une planète - à moins qu'il ne s'agisse d'une planète voyou - orbitera autour d'une étoile.

L'étoile affectera la planète, via de nombreux mécanismes physiques, tels que les marées, les vents, les champs magnétiques, le chauffage différentiel et bien d'autres.

La planète ne restera donc pas parfaitement sphérique.

De plus, il ne continuera pas à avoir un moment angulaire nul.

(gras ajouté)
Je pense que vous vouliez dire mascons (http://www.universetoday.com/2006/06/03/huge-asteroid-crater-in-antarctica/), comme dans les concentrations de masse.

Ouais, merci.
J'ai besoin de relire les fautes de frappe avant d'appuyer sur ce bouton d'envoi.

Je penserais que c'est un mode de rotation "plus facile", plus efficace que tout autre, donc il garderait cette rotation, bien que je ne sache pas pouvoir le sauvegarder avec une physique valide. Serait-ce correct? Si c'est le cas, je m'attendrais à ce que les anneaux évoluent autour du centre de gravité axial, mais soient plus chaotiques ou au moins étalés.

Mais serait-il dynamiquement instable ? Avec une masse distribuée vers les pôles, y aurait-il une rétroaction positive qui la déséquilibrerait avant qu'un anneau ne puisse se former ?

Voici une expérience de pensée : une lune ovoïde formée par l'étirement des marées, qui sort de l'orbite de son primaire et se transforme en une planète à part entière, tournant sur son grand axe. Son noyau est trop froid et solide pour s'effondrer à l'équateur. Ensuite, il y a une lune qui se brise autour d'elle - sonnerie ou pas de sonnerie ? Et quelle serait la stabilité d'un tel corps dans sa rotation ? Est-ce qu'il vacillerait instantanément dans un Tumbling Pigeon, ou resterait-il "haut" sur son axe long comme une toupie, et si oui, pendant combien de temps ?

La rotation autour du moindre axe d'inertie est une configuration stable, mais c'est aussi l'état d'énergie maximale. S'il y a une quelconque perte d'énergie, due à une flexion ou un ballottement (s'il se trouve qu'il y a du liquide ou une atmosphère), ou similaire, alors le corps finira par s'éloigner de cet état d'énergie maximum, traversant une période instable et finira par avec une rotation autour de l'axe de plus grande inertie. Pour une stabilité de rotation à long terme, un objet doit tourner autour de l'axe de plus grande inertie. La seule exception est si l'objet est parfaitement rigide, auquel cas l'axe de plus grande et l'axe de moindre inertie sont stables (l'axe intermédiaire est toujours instable).

La rotation autour du moindre axe d'inertie est une configuration stable, mais c'est aussi l'état d'énergie maximale. S'il y a une quelconque perte d'énergie, due à une flexion ou un ballottement (s'il se trouve qu'il y a du liquide ou une atmosphère), ou similaire, alors le corps finira par s'éloigner de cet état d'énergie maximum, traversant une période instable et finira par avec une rotation autour de l'axe de plus grande inertie. Pour une stabilité de rotation à long terme, un objet doit tourner autour de l'axe de plus grande inertie. La seule exception est si l'objet est parfaitement rigide, auquel cas l'axe de plus grande et l'axe de moindre inertie sont stables (l'axe intermédiaire est toujours instable).

Alors que fait un objet parfaitement rigide s'il possède un spin non aligné avec un axe d'inertie ? A-t-il un moyen d'arrêter la précession gratuite ?


12.5 Anneaux planétaires

En plus de leurs lunes, les quatre planètes géantes ont des anneaux, chaque système d'anneaux étant composé de milliards de petites particules ou « lunes » en orbite près de leur planète. Chacun de ces anneaux présente une structure compliquée liée aux interactions entre les particules de l'anneau et les plus grosses lunes. Cependant, les quatre systèmes d'anneaux sont très différents les uns des autres en termes de masse, de structure et de composition, comme indiqué dans le tableau 12.2.

Planète Rayon extérieur
(km)
Rayon extérieur
(Rplanète)
Masse
(kg)
Réflectivité
(%)
Jupiter 128,000 1.8 10 10 (?) ?
Saturne 140,000 2.3 10 19 60
Uranus 51,000 2.2 10 14 5
Neptune 63,000 2.5 10 12 5

Le grand système d'anneaux de Saturne est composé de particules glacées réparties en plusieurs vastes anneaux plats contenant une grande partie de la structure fine. Les systèmes d'anneaux d'Uranus et de Neptune, en revanche, sont presque l'inverse de celui de Saturne : ils sont constitués de particules sombres confinées dans quelques anneaux étroits avec de larges espaces vides entre eux. L'anneau de Jupiter et au moins l'un de ceux de Saturne ne sont que des bandes de poussière transitoires, constamment renouvelées par les grains de poussière érodés par les petites lunes. Dans cette section, nous nous concentrons sur les deux systèmes d'anneaux les plus massifs, ceux de Saturne et d'Uranus.

Quelles sont les causes des anneaux?

Un anneau est une collection d'un grand nombre de particules, chacune ressemblant à une minuscule lune obéissant aux lois de Kepler alors qu'elle suit sa propre orbite autour de la planète. Ainsi, les particules internes tournent plus vite que celles plus éloignées, et l'anneau dans son ensemble ne tourne pas comme un corps solide. En fait, il vaut mieux ne pas penser du tout à un anneau en rotation, mais plutôt considérer la révolution (ou le mouvement en orbite) de ses lunes individuelles.

Si les particules de l'anneau étaient très espacées, elles se déplaceraient indépendamment, comme des lunes séparées. Cependant, dans les anneaux principaux de Saturne et d'Uranus, les particules sont suffisamment proches pour exercer une influence gravitationnelle mutuelle, et parfois même pour se frotter ou rebondir les unes contre les autres lors de collisions à basse vitesse. En raison de ces interactions, nous voyons des phénomènes tels que des vagues qui se déplacent à travers les anneaux, exactement comme les vagues d'eau se déplacent à la surface de l'océan.

Il y a deux idées de base sur la façon dont de tels anneaux se forment. Le premier est le hypothèse de rupture, ce qui suggère que les anneaux sont les restes d'une lune brisée. Une comète ou un astéroïde de passage aurait pu entrer en collision avec la lune, la brisant en morceaux. Les forces de marée ont ensuite séparé les fragments et ils se sont dispersés en un disque. The second hypothesis, which takes the reverse perspective, suggests that the rings are made of particles that were unable to come together to form a moon in the first place.

In either theory, the gravity of the planet plays an important role. Close to the planet (see Figure 12.25), tidal forces can tear bodies apart or inhibit loose particles from coming together. We do not know which explanation holds for any given ring, although many scientists have concluded that at least a few of the rings are relatively young and must therefore be the result of breakup.

Rings of Saturn

Saturn’s rings are one of the most beautiful sights in the solar system (Figure 12.26). From outer to inner, the three brightest rings are labeled with the extremely unromantic names of A, B, and C Rings. Table 12.3 gives the dimensions of the rings in both kilometers and units of the radius of Saturn, RSaturne. The B Ring is the brightest and has the most closely packed particles, whereas the A and C Rings are translucent.

The total mass of the B Ring, which is probably close to the mass of the entire ring system, is about equal to that of an icy moon 250 kilometers in diameter (suggesting that the ring could have originated in the breakup of such a moon). Between the A and B Rings is a wide gap named the Cassini Division after Gian Domenico Cassini, who first glimpsed it through a telescope in 1675 and whose name planetary scientists also gave to the Cassini spacecraft that explored the Saturn system.

Ring Name 2 Outer Edge
(RSaturne)
Outer Edge
(km)
Width
(km)
F 2.324 140,180 90
UNE 2.267 136,780 14,600
Cassini Division 2.025 122,170 4590
B 1.949 117,580 25,580
C 1.525 92,000 17,490

Saturn’s rings are very broad and very thin. The width of the main rings is 70,000 kilometers, yet their average thickness is only 20 meters. If we made a scale model of the rings out of paper, we would have to make them 1 kilometer across. On this scale, Saturn itself would loom as high as an 80-story building. The ring particles are composed primarily of water ice, and they range from grains the size of sand up to house-sized boulders. An insider’s view of the rings would probably resemble a bright cloud of floating snowflakes and hailstones, with a few snowballs and larger objects, many of them loose aggregates of smaller particles (Figure 12.27).

In addition to the broad A, B, and C Rings, Saturn has a handful of very narrow rings no more than 100 kilometers wide. The most substantial of these, which lies just outside the A Ring, is called the F Ring its surprising appearance is discussed below. In general, Saturn’s narrow rings resemble the rings of Uranus and Neptune.

There is also a very faint, tenuous ring, called the E Ring, associated with Saturn’s small icy moon Enceladus . The particles in the E Ring are very small and composed of water ice. Since such a tenuous cloud of ice crystals will tend to dissipate, the ongoing existence of the E Ring strongly suggests that it is being continually replenished by a source at Enceladus. This icy moon is very small—only 500 kilometers in diameter—but the Voyager images showed that the craters on about half of its surface have been erased, indicating geological activity sometime in the past few million years. It was with great anticipation that the Cassini scientists maneuvered the spacecraft orbit to allow multiple close flybys of Enceladus starting in 2005.

Those awaiting the Cassini flyby results were not disappointed. High-resolution images showed long, dark stripes of smooth ground near its south pole, which were soon nicknamed “tiger stripes” (Figure 12.28). Infrared measurements revealed that these tiger stripes are warmer than their surroundings. Best of all, dozens of cryovolcanic vents on the tiger stripes were seen to be erupting geysers of salty water and ice (Figure 12.29). Estimates suggested that 200 kilograms of material were shooting into space each second—not a lot, but enough for the spacecraft to sample.

When Cassini was directed to fly into the plumes, it measured their composition and found them to be similar to material we see liberated from comets (see Comets and Asteroids: Debris of the Solar System). The vapor and ice plumes consisted mostly of water, but with trace amounts of nitrogen, ammonia, methane, and other hydrocarbons. Minerals found in the geysers in trace amounts included ordinary salt, meaning that the geyser plumes were high-pressure sprays of salt water.

Based on the continuing study of Enceladus’ bulk properties and the ongoing geysers, in 2015 the Cassini mission scientists tentatively identified a subsurface ocean of water feeding the geysers. These discoveries suggested that in spite of its small size, Enceladus should be added to the list of worlds that we would like to explore for possible life. Since its subsurface ocean is conveniently escaping into space, it might be much easier to sample than the ocean of Europa, which is deeply buried below its thick crust of ice.

Rings of Uranus and Neptune

Uranus’ rings are narrow and black, making them almost invisible from Earth. The nine main rings were discovered in 1977 from observations made of a star as Uranus passed in front of it. We call such a passage of one astronomical object in front of another an occultation. During the 1977 occultation, astronomers expected the star’s light to disappear as the planet moved across it. But in addition, the star dimmed briefly several times before Uranus reached it, as each narrow ring passed between the star and the telescope. Thus, the rings were mapped out in detail even though they could not be seen or photographed directly, like counting the number of cars in a train at night by watching the blinking of a light as the cars successively pass in front of it. When Voyager approached Uranus in 1986, it was able to study the rings at close range the spacecraft also photographed two new rings (Figure 12.30).

The outermost and most massive of Uranus’ rings is called the Epsilon Ring. It is only about 100 kilometers wide and probably no more than 100 meters thick (similar to the F Ring of Saturn). The Epsilon Ring encircles Uranus at a distance of 51,000 kilometers, about twice the radius of Uranus. This ring probably contains as much mass as all of Uranus’ other ten rings combined most of them are narrow ribbons less than 10 kilometers wide, just the reverse of the broad rings of Saturn.

The individual particles in the uranian rings are nearly as black as lumps of coal. While astronomers do not understand the composition of this material in detail, it seems to consist in large part of carbon and hydrocarbon compounds. Organic material of this sort is rather common in the outer solar system. Many of the asteroids and comets are also composed of dark, tarlike materials. In the case of Uranus, its ten small inner moons have a similar composition, suggesting that one or more moons might have broken up to make the rings.

Neptune’s rings are generally similar to those of Uranus but even more tenuous (Figure 12.31). There are only four of them, and the particles are not uniformly distributed along their lengths. Because these rings are so difficult to investigate from Earth, it will probably be a long time before we understand them very well.

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Mark Showalter (of the SETI Institute) and his colleagues maintain the NASA’s Planetary Ring Node website. It is full of information about the rings and their interactions with moons check out their press-release images of the Saturn ring system, for example. And Showalter gives an entertaining illustrated talk about Saturn’s ring and moon system.

Example 12.1

Resolution of Planetary Rings

Solution

where angular diameter is expressed in arcsec. The distance of Saturn near opposition is about
9 AU = 1.4 × 10 9 km. Substituting in the above formula and solving for the angular resolution, we get

which is about 10 −3 arcsec, or a milliarcsec. This is not possible for our telescopes to achieve. For comparison, the best resolution from either the Hubble Space Telescope or ground-based telescopes is about 0.1 arcsec, or 100 times worse than what we would need. This is why such occultation measurements are so useful for astronomers.

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Interactions between Rings and Moons

Much of our fascination with planetary rings is a result of their intricate structures, most of which owe their existence to the gravitational effect of moons, without which the rings would be flat and featureless. Indeed, it is becoming clear that without moons there would probably be no rings at all because, left to themselves, thin disks of small particles gradually spread and dissipate.

Most of the gaps in Saturn’s rings , and also the location of the outer edge of the A Ring, result from gravitational resonances with small inner moons. A resonance takes place when two objects have orbital periods that are exact ratios of each other, such as 1:2 or 2:3. For example, any particle in the gap at the inner side of the Cassini Division of Saturn’s rings would have a period equal to one-half that of Saturn’s moon Mimas. Such a particle would be nearest Mimas in the same part of its orbit every second revolution. The repeated gravitational tugs of Mimas, acting always in the same direction, would perturb it, forcing it into a new orbit outside the gap. In this way, the Cassini Division became depleted of ring material over long periods of time.

The Cassini mission revealed a great deal of fine structure in Saturn’s rings. Unlike the earlier Voyager flybys, Cassini was able to observe the rings for more than a decade, revealing a remarkable range of changes, on time scales from a few minutes to several years. Many of the features newly seen in Cassini data indicated the presence of condensations or small moons only a few tens of meters across imbedded in the rings. As each small moon moves, it produces waves in the surrounding ring material like the wake left by a moving ship. Even when the moon is too small to be resolved, its characteristic waves could be photographed by Cassini.

One of the most interesting rings of Saturn is the narrow F Ring , which contains several apparent ringlets within its 90-kilometer width. In places, the F Ring breaks up into two or three parallel strands that sometimes show bends or kinks. Most of the rings of Uranus and Neptune are also narrow ribbons like the F Ring of Saturn. Clearly, the gravity of some objects must be keeping the particles in these thin rings from spreading out.

As we have seen, the largest features in the rings of Saturn are produced by gravitational resonances with the inner moons, while much of the fine structure is caused by smaller embedded moons. In the case of Saturn’s F Ring, close-up images revealed that it is bounded by the orbits of two moons, called Pandora and Prometheus (Figure 12.32). These two small moons (each about 100 kilometers in diameter) are referred to as shepherd moons, since their gravitation serves to “shepherd” the ring particles and keep them confined to a narrow ribbon. A similar situation applies to the Epsilon Ring of Uranus , which is shepherded by the moons Cordelia and Ophelia. These two shepherds, each about 50 kilometers in diameter, orbit about 2000 kilometers inside and outside the ring.

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You can download a movie showing the two shepherd moons on either side of Saturn’s F ring.

Theoretical calculations suggest that the other narrow rings in the uranian and neptunian systems should also be controlled by shepherd moons, but none has been located. The calculated diameter for such shepherds (about 10 kilometers) was just at the limit of detectability for the Voyager cameras, so it is impossible to say whether they are present or not. (Given all the narrow rings we see, some scientists still hope to find another more satisfactory mechanism for keeping them confined.)

One of the outstanding problems with understanding the rings is determining their ages. Have the giant planets always had the ring systems we see today, or might these be a recent or transient addition to the solar system? In the case of the main rings of Saturn, their mass is about the same as that of the inner moon Mimas. Thus, they could have been formed by the break-up of a Mimas-sized moon, perhaps very early in solar system history, when there were many interplanetary projectiles left over from planet formation. It is harder to understand how such a catastrophic event could have taken place recently, when the solar system had become a more stable place.


MAGNETOSPHERE

Introduction

Magnetospheres are new magnetic structures discovered during the space age by satellite-borne instruments that made possible physical measurements in distant regions previously not accessible. The first magnetosphere discovered was Earth's. Soon afterward, another discovery showed that space is not empty as once thought but is filled with ionized gases emanating from the Sun, stars, and other celestial bodies with high temperatures. It then became evident that magnetospheres are ubiquitous in space. What is a magnetosphere, how is it formed, and what are some of the important internal dynamics?

Let us first describe the environment in which magnetospheres are found. In our solar system, for example, the Sun's coronal atmosphere is hot, ∼10 6 K, and dynamic, so it expands into space. The expanding solar coronal atmosphere is called solar wind and consists mostly of hydrogen (∼95% H + ) and helium (∼5% He 2+ ) ions and an equal number of electrons. Matter in the ionized state is called plasma and much of known matter in the Universe exists as plasmas. Since ionized matter is a good electrical conductor and magnetic fields decay slowly in conductors, it was immediately verified that the solar wind carries with it solar magnetic fields into space. Space is therefore permeated with magnetized plasma.

The solar wind is different from winds in the lower atmosphere because it is always blowing. All of the planets immersed in the solar coronal atmosphere are interacting with it all the time. The electromagnetic (EM) interaction induces large-scale currents and forms magnetic cavities around magnetized planets. These cavities are called magnetospheres. Except for Mars and Venus, which do not have intrinsic magnetic fields, the planets in our solar system all have magnetospheres. This article will focus on planetary magnetospheres and emphasize features that are associated with Earth's magnetosphere, which has all of the elements to characterize a planetary magnetosphere ( Figure 1 ).

Figure 1 . A sketch of Earth's magnetosphere in the noon–midnight plane. The dashed lines are the original dipole field. The solid lines are magnetic fields modified by external currents. IMF stands for interplanetary magnetic field, which is of solar origin. Major features of the magnetosphere are shown. (RE earth radius.)

The lower boundary of a planetary magnetosphere begins from that part of the atmosphere where ionized constituents play an important role in the dynamics of the upper atmosphere. For Earth, this boundary is located at ∼100 km where the ionosphere begins (ionospheres are formed by the Sun's ultraviolet radiation). The ionosphere is therefore part of the magnetosphere. The outer boundary of the magnetosphere is called the magnetopause, and it separates the domains of the planetary magnetic field and the solar wind that blows outside it. Its location is determined by the pressure balance between the solar wind and the planetary magnetic field. On an average day Earth's magnetopause at local noon (subsolar point) crosses the equatorial plane at ∼10RE (average Earth radius, ∼6367 km), and at ∼20 RE in the dawn and dusk sectors. In the antisunward direction, the magnetosphere has a magnetic tail. The geomagnetic tail extends beyond 100 RE.

As the Sun's coronal atmosphere expands into space the wind speed increases, and near Earth's position it is ∼400 km s −1 . This is faster than the speed of Alfven waves in the solar wind medium. Alfven waves, named after the Swedish Nobel laureate Hannes Alfven, are transverse magnetohydrodynamic waves travelling in the direction of the ambient magnetic field. As with objects that travel faster than the sound speed in the terrestrial atmosphere, a shock wave forms in front of Earth's magnetosphere. The Alfven wave steepens nonlinearly and a shock forms as the magnetosphere plows through the super-Alfvenic solar wind. The Alfven Mach number MUNE is about 8, which makes the Earth's shock wave a strong shock. The shock wave is detached and separated from the magnetopause by ∼1 RE.

The region behind the shock wave is called magnetosheath and it extends to the magnetopause. The magnetosheath is a turbulent region permeated by large amplitude waves and hot particles that have been created in the shock formation. As in ordinary shocks, the solar wind stream energy is converted to the thermal energy. The solar wind speed in the downstream region just behind the shock is much reduced, ∼50 km s −1 . The solar wind speed picks up again further downstream.

Inside the magnetosphere, Van Allen radiation belts, named after their discoverer, James Van Allen, are found. These are divided into inner (ionosphere to ∼45 RE) and outer (∼45 RE to the magnetopause) radiation belts. The inner radiation belt energetic particles come from neutrons produced by cosmic rays that bombard the planet's atmosphere. Neutrons are unstable and have short lifetimes and they decay in flight into protons, electrons, and antineutrinos. The charged particles are captured by the planetary magnetic field. The primary source of Earth's energetic population in the inner radiation belt comes from these cosmic ray albedo neutron decay (CRAND) particles.

The source of the outer radiation belt particles is tied to solar wind and auroral disturbances which are dynamic. The outer magnetosphere is sometimes quiet, sometimes stormy, like the weather in the lower atmosphere of Earth. But unlike terrestrial weather, ‘space weather’ is driven by electrical forces powered by the disturbed solar wind connected to solar storms that produce flares and coronal mass ejections (CME). Spectacular auroral displays and intense radio emissions that occur in the polar regions of the planet are manifestations of space storms. The dancing lights of aurora are atmospheric emissions excited by precipitating energetic electrons that bombard the Earth's outer atmosphere. The radio emissions are generated by the unstable auroral particles.

Particles with millions of electron volt (MeV) energies are frequently produced during large space storms. These penetrating particles can impact on mankind as they can disrupt communication, impair satellite instrumentation and even cause damage to spacecraft. Another havoc is that currents of several million amps flow in the ionosphere during these storms. These ionospheric currents induce strong currents on the ground and have caused power outages in cities located in the auroral zone. A new practical goal of magnetospheric research is to learn to forecast space weather so as to forewarn when disruptive storms will occur and to predict which storms accelerate particles to MeV energies.

Particles in space rarely collide, because the density is so low and the mean free path so long. For example, in the outer magnetosphere there are ten thousand or so particles per cubic meter and in the solar wind a few million. The mean free path is of the order of an astronomical unit, 1.5×10 11 m. This unique feature of the space system makes it different from other particle systems where collisions are prevalent.

Many space phenomena are driven by ‘collisionless’ processes that involve collective interactions through the long-range electromotive force. Very little is known about these collective processes. Even though it is known that the disturbed solar wind fuels auroral and magnetic storms, the actual mechanism of how the solar wind mass, momentum, and energy are transported across the magnetopause is not yet understood. The Earth's shock wave is a collisionless shock and, like ordinary shocks, it dissipates energy. But the collisionless dissipation mechanism is very different from the classical dissipation mechanism where viscosity is produced by the colliding particles. How viscosity is produced in a collisionless process is a fundamental problem yet to be solved.


Saturn's Rings Are Disappearing

Infrared observations of Saturn were recorded using the 10-meter diameter Keck telescope in Hawaii. Through a careful analysis, Dr. James O'Donoghue and his team found a series of unusual bright and dark bands extending around the planet's upper atmosphere. It was found that these bands are linked to Saturn's rings by magnetic field lines, indicating that water ice from the rings is "raining" into the planet.

This mechanism is called "ring rain," and was discovered using Voyager spacecraft data in the 1980s by study co-author Dr. Jack Connerney. In this process, electrically charged icy dust in Saturn's rings is pulled into the planet along magnetic field lines by gravity. Modeling work by study co-author Dr. Luke Moore shows that if there is a small amount of rain, the ionosphere glows, while if there is a large amount of rain, it becomes dark.

In this new study, the rate of water flow into the planet is estimated to be one Olympic sized swimming pool every half an hour, meaning Saturn's rings will be gone in under 300 million years. This is short relative to the 4.5 billion-year age of the solar system. The findings suggest that giant planetary ring systems are not built to last forever.


The interaction between Saturn's moons and their plasma environments

Sven Simon , . Carol S. Paty , in Physics Reports , 2015

1 Introduction

After its arrival at Saturn in July 2004, the Cassini spacecraft commenced the most extensive survey of the giant planet’s magnetosphere in the history of unmanned space exploration. Following the completion of Cassini’s nominal mission in 2008, two extensions were granted, and the end of the spacecraft’s tour in the Saturnian system is now scheduled for September 2017. A major objective of the mission is the study of the interaction between Saturn’s moons and the magnetospheric plasma incident upon them.

At the time of this writing, Cassini had already provided plasma and magnetic field observations from 111 close flybys of Saturn’s largest satellite Titan. This moon is of particular interest, since it is the only planetary satellite in our solar system that is embedded in a dense, nitrogen-rich atmosphere with a surface pressure comparable to that of Earth. After the initial detection of active cryovolcanism at the small icy moon Enceladus in 2005, Cassini’s tour plan was modified, thereby permitting detailed studies of the interaction between Enceladus’ plume and its magnetospheric environment during so far 20 targeted flybys. In addition, the spacecraft has paid visits to several of the other large satellites in the inner and middle magnetosphere: Rhea (which was initially suspected to possess its own system of rings), Dione and Tethys.

During the remaining time of the mission, Cassini is scheduled to accomplish another three targeted Enceladus flybys as well as two flybys of Dione. These five encounters will mark the end of Cassini’s exploration of Saturn’s icy satellites in late 2015. However, the spacecraft will sample Titan’s plasma environment in Saturn’s nightside magnetosphere during another 15 close flybys, the last of them scheduled for 22 April 2017. The Appendix provides a comprehensive overview of the dates and flyby geometries for all encounters of the Cassini spacecraft with Saturn’s moons.

The inner icy satellites and Titan are located within Saturn’s magnetosphere for average solar wind conditions, revolving around the giant planet on prograde orbits in its equatorial plane. Since their orbital velocities are clearly exceeded by the speed of the at least partially corotating magnetospheric plasma, the moons are continuously “overtaken” by the magnetospheric flow. Thus, their trailing hemispheres are permanently exposed to bombardment by thermal magnetospheric plasma, impinging at relative velocities between a few 10 km / s at Enceladus and more than 100 km / s at Titan. Being enclosed within the boundaries of a magnetospheric cavity, these moons are also continuously exposed to large fluxes of trapped, high energy electron and ion particle radiation, differentiating their interactions from any obstacle in the solar wind.

The characteristics of the resulting plasma interaction process depend on the properties of the moon itself (e.g., the density of its atmosphere and ionosphere) as well as on the parameters (density, velocity, temperature, magnetic field strength) of the incident magnetospheric flow. A broad variety of different interaction scenarios is encountered at Saturn, thereby making its magnetosphere a formidable laboratory to study these basic plasma-physical processes. In general, each combination of obstacle type and magnetospheric environment category leaves a characteristic and unique imprint in the plasma flow pattern and the magnetic field near the moon. For this reason, plasma and magnetic field observations near Saturn’s moons provide a valuable diagnostic tool to gain access to the properties of the moons’ atmospheres, surfaces and interiors.

In the inner and middle magnetosphere–where the orbits of Enceladus, Tethys, Dione and Rhea are located–the Alfvénic Mach number of the incident plasma is smaller than one. Thus, if the obstacle to the flow possesses a substantial ionosphere, a system of Alfvén wings is generated by the interaction ( Neubauer, 1980, 1998 ). For the case of an obstacle that possesses a pronounced north–south asymmetry (such as Enceladus and the plume below its south pole), additional field-aligned currents are generated tangential to the surface of the satellite ( Saur et al., 2007 ). On the other hand, if the moon affects the impinging magnetospheric flow mainly by absorbing the particles hitting its surface, the magnetic field in the upstream region remains undistorted. At the wakeside, however, a void is formed in the magnetospheric plasma density, whereas the magnetic field strength is enhanced in order to compensate for the deficit of particle pressure. Such a scenario has been observed, e.g., at Tethys ( Khurana et al., 2008 ).

In many respects, the interaction between Titan’s dense, nitrogen-rich ionosphere and its magnetospheric environment was found to be very similar to the interactions of Venus, Mars or comets with the solar wind: a pronounced magnetic draping pattern is formed around Titan, often referred to as an induced magnetosphere. However, due to the submagnetosonic nature of the incident plasma, Titan’s induced magnetosphere lacks a bow shock in front of the moon.

Although the incident plasma conditions in Saturn’s inner magnetosphere are modulated by periodic variations on time scales of the planetary rotation period (about 10.7 h, cf. ( Gurnett et al., 2007 )), the parameters of the undisturbed magnetospheric flow near the inner icy satellites can be considered stationary on the time scales upon which the plasma interaction process takes place. These “local” plasma interaction scales are defined by, e.g., the convection time of a magnetic fluxtube through the interaction region or by the gyroperiods of the involved pick-up species. However, at the large distance of 20.3 R S where Titan orbits its parent planet, the notion of the moon interacting with a steady-state magnetospheric environment is no longer applicable. The interaction between Titan and its plasma environment is frequently distorted by the moon’s proximity to the Saturn’s magnetopause and by the inherent dynamics of the giant planet’s magnetosphere.

In this paper, we shall provide a comprehensive review of our current knowledge on the interaction between Saturn’s largest moons and their magnetospheric environments, taking into account in-situ observations and modeling results from the first eleven years of Cassini’s tour. Separate sections are devoted to each of the large Saturnian moons visited by Cassini: Enceladus (Section 4 ), Tethys (Section 5 ), Dione (Section 6 ), Rhea (Section 7 ) and Titan (Section 8 ). For each of these moons, we will discriminate between the interaction with the thermal (corotating) magnetospheric plasma and the impact of the moon on the highly energetic component of the ambient particle population. While the interaction with the thermal magnetospheric plasma usually generates strong currents that modify the moon’s electromagnetic environment, the energetic particle population is typically so dilute that these ions and electrons can be treated as test particles that are inserted into a pre-defined electromagnetic field configuration (i.e., the currents generated by these particles are so weak that the resulting modification of the electromagnetic fields is negligible).

However, before we begin our survey, we will provide a brief, tutorial-style review of several key elements involved in the interaction between a planetary moon and its magnetospheric environment: starting from the plasma and magnetic field perturbations generated by particle absorption at the surface alone (Section 3.1 ), we will move on to the concept of the Alfvén wings that are generated when a significant transverse current is present in the interaction region (Section 3.2 ). Finally, we will elaborate on the dynamics of energetic magnetospheric particles when exposed to the distorted electromagnetic fields near Saturn’s moons (Section 3.3 ).

We note that, in addition to the moons discussed in this review, Cassini accomplished one targeted flyby each of Hyperion (26 September 2005), Iapetus (10 September 2007) and Phoebe (11 June 2004). However, from these flybys only very little was learned about the plasma environments of these moons, and very few of the acquired datasets have already been presented in the peer-reviewed literature. Therefore, instead of discussing these events in separate sections, we will include information on them in the discussion of the other moons when appropriate.