يَتكون الغلاف المغناطيسي magnetosphère عندما يَتفاعل فيض من الجسيمات المشحونة - مثل الرياح الشمسية - مع مجال مغناطيسي حقيقي لكوكب ما أوجسم مُشابه. يُطوق الأرض غلاف مغناطيسي، والكواكب الأخرى التي تملك غلافاً مغناطيسياً حقيقياً وقوياً هي: عطارد والمشتري وزحل وأورانوس ونبتون. يَملك أكبر أقمار المشتري - گانيميد - غلافاً مغناطيسياً صغيراً، لكنه يَقع بالكامل تقريباً ضمن غلاف المشتري، مما يُؤدي إلى تفاعلات معقدة بينهما. يُطلق أيونوسفير الكواكب ضعيفة المغناطيسية مثل الزهرة والمريخ تيارات تحرف جزئياً تدفق الرياح الشمسية، لكنها لا تملك أغلفة مغناطيسية بالرغم من ذلك.

يُستخدم مصطلح الغلاف المغناطيسي أيضاً لوصف المناطق التي تخضع لتأثير الحقول المغناطيسية لأجرام سماوية ما، مثل غلاف النوابض المغناطيسي.

وهي منطقة فضائية تحيط بالكرة الأرضية، وتقع بعد الغلاف الأيوني، بدءاً من 800 حتى 1000 كيلومتر، وتمتد إلى الحدود النهائية الفاصلة بين الفضاء الأرضي والفضاء ما بين الكواكب. تملأ الغلاف المغنطيسي بلازما ممدَّدة جداً، تتكون في أسفله من إلكترونات ونوى الهليوم الثقيلة، وتكاد تكون في قسمه العلوي مفككة كلياً إلى إلكترونات وبروتونات (نوى الهدروجين الخفيفة)، ويتحكم فيها الحقل المغناطيسي الأرضي تحكّماً وثيقاً. وعليه يجب عدّ الناقلية الكهربائية لهذه البلازما شبه لانهائية، مما يكسبها سلوكاً مغنطيسياً تحريكياً يجعلها تسمح لموجات آلفين Alfvén بالانتشار فيها بسرعات تراوح بين 30 و80 كيلومتراً/ثانية، وتضطر جسيماتها إلى الارتباط بخطوط الحقل (خطوط القوة) المغناطيسي وكأنها «مسمَّرة» بها. وهذه البلازما «باردة»، أي كثافة طاقتها الحركية (الترموديناميكية) ضعيفة ومنخفضة، على خلاف البلازما «الحارة» المتوافرة في الريح الشمسية، التي هي تدفق جسيمات مستمر من الشمس، سرعاتها عالية جداً تراوح بين 300 و800 كيلومتر/ثانية.

حدود الغلاف المغناطيسي

لم يعد مقبولاً ـ كما كان يُعتقد في السابق ـ حتىقد يكون هذا الحقل ممتداً إلى اللانهاية، فإن ذلك لم يكن سليماً إلا بقدر صحة الاعتقاد بأن الفضاء بين الكواكب هوفضاء «خالٍ» في حالته العادية. إذا إثبات الوجود الدائم للرياح الشمسية، نحوعام 1950 من قِبَل الفيزيائي الفلكي لودڤيگ فرانز بندكت بيرمان Ludwig F.B. Biermann، أدى إلى قبول الوجود الدائم عام 1958 مع يوجين باركر Eugène N. Parker، «لتجويف» يحتفظ به الحقل المغناطيسي الأرضي، وكأنه محفور في البلازما التي تنقلها الريح الشمسية. وجدران هذا التجويف (الحد الخارجي للغلاف المغناطيسي) هي مقر التآثر (التفاعل المتبادل) الدائم بين هذه البلازما الشمسية والحقل المغناطيسي الأرضي؛ إذ يجبر هذا الحقل جسيمات البلازما على الالتفاف حول خطوط حقله المحيطية الخارجية، ولكن هذه الخطوط الخارجية، ومن ثمَّ معها خطوط الحقل الداخلية الأخرى جميعها، تظل بقوة ذلك «محصورة» داخل هذا التجويف المتولِّد على هذا النحو.

تاريخ فيزياء الأغلفة المغناطيسية

اكتشفت مركبة إكسپلورر 1 غلاف الأرض المغناطيسي عام 1958 خلال درس يَخص السنة الجيوفيزيائية الدولية.^{[بحاجة لمصدر]} قبل هذا، عهد الفهماء أنه توجد تيارات كهربائية في الفضاء بسبب ثورات شمسية تقود أحياناً إلى اضطراب "عاصفة مغناطيسية". لكن بالرغم من هذا لم يَعهد أحد أين ولماذا كانت هذه التيارات موجودة، أوحتى الرياح الشمسية موجودة أساساً. أطلق في شهري آب/أغسطس وأيلول/سبتمبر عام 1958 مشروع أرغس لاختبار نظرية حول تكون الأحزمة الإشعاعية التي يُمكن حتى تملك استخداماً تكتيكياً في الحرب.^{[بحاجة لمصدر]} في عام 1959، قام باحثان من جامعة لوا باستخدام صاروخ تجارب لتحديد حتى الجُسيمات التي رُصدت سابقاً حول الأرض هي إلكترونات، وتملك طاقة متوسطها 6,000 فولت. أما اليوم، فإن السواتل الفهمية تقوم دورياً بعبور تيارات الإلكترونات في الغلاف المغناطيسي الأرضي وبقياس خصائصها.

اقترح توماس گولد اسم "الغلاف المغناطيسي" في عام 1959 عندما خط في مجلة البحوث الجيوفيزيائية:

غلاف الأرض المغناطيسي

الغلاف الأرضي المغناطيسي هومنطقة في الفضاء يُحدد شكلها المجال الأرضي المغناطيسي الداخلي، وبلازما الرياح الشمسية، والمجال المغناطيسي البين كوكبي. في الغلاف المغناطيسي، يُحبس مزيج من الأيونات الحرة والإلكترونات - القادمين من جميع من الرياح الشمسية والأيونوسفيرِ الأرضي - عن طريق القوة الكهرومغناطيسية، والتي تفوق الجاذبية والاصطدامات قوة بكثير.

على الرغم من حتى الاسم الأصلي - الأجنبي - للغلاف المغناطيسي يَعني حرفياً "الكرة المغناطيسية"، إلا حتى شكله في الحقيقة ليس كروياً. جميع الأغلفة المغناطيسية الكوكبية المعروفة في النظام الشمسي تملك غلافاً أقرب إلى البيضاوي في شكله بسبب تأثير الرياح الشمسية.

حالة الغلاف المغنطيسي السكونية (أو«المستقرة») وبنيته الأساسية

الحدّ الخارجي للغلاف المغناطيسي (السطح الحدودي) يعبرّ عن التوازن الحاصل بين الضغوط على وجهيه وفق المعادلة:

وفي هذه العلاقة تعبر الحدود ρv2 (حيث يمثل ρ الكتلة الحجمية، وv سرعة الهيجان الحراري أوالانجرار) عن ضغوط (أوكثافات طاقة) مصدرها حركي أوحراري، بينما تعبر الحدود kB2 (حيث يمثل B التحريض أوالحقل المغنطيسي) عن ضغوط (أوكثافات طاقة) مصدرها مغنطيسي، وترمز القرينتان e وi إلى الوسطين الخارجي والداخلي على التوالي، أما k فهومعامل يتوقف على الواحدات المستخدمة. وإذا لم يؤخذ في الحسبان إلا الحدّ الأهم في طرفي المعادلة ـ الضغط الحركي الذي تمارسه البلازما الشمسية من الخارج، والضغط المغنطيسي الذي يمارسه الحقل المغنطيسي الأرضي من الداخل ـ تؤول العلاقة السابقة إلى الشكل المبسط:

الذي يعين الحدّ الخارجي للغلاف المغنطيسي. وينطبق هذا التفكير على جانب الشمس (أوجانب النهار)، فيشكل شبه نصف كرة كائنة على بعد نحوخمسة أضعاف قطر الأرض. أما في الجانب المضاد للشمس (أوجانب الليل) فالظاهرة في الواقع أكثر تعقيداً، إذ تنضاف إلى الأفعال السابقة انجرارات (باللزوجة المغناطيسية أوبالدوامات الخ…) تمت معهدتها بفضل قياسات ساتلية: استطالة كبيرة في الغلاف المغناطيسي الليلي، التي من الممكن تمتد إلى مئات عدة من قطر الأرض، أي إلى أبعد بكثير من المدار القمري الذي يمتد إلى 30 مرة من قطر الأرض، وهذا الذي يشكل الذيل المغنطيسي «المغلق» أو«المفتوح»، حسبما يُفترض حتى خطوط الحقل تنغلق على ذاتها (الشكل 1-ب) أوأنها تمضى على العكس لتلتحم بخطوط الحقل المغناطيسي الضعيف الذي يُفهم الآن بوجوده في الفضاء بين الكواكب والذي تبلغ شدته 5γ تقريباً (γ = غاما = 10-5 غاوس).

شكل الحقل المغنطيسي

الحقل المغناطيسي الذي داخل الغلاف المغناطيسي المجاور للأرض يشبه كثيراً الحقل الذي تولده ثنائية مغناطيسية (قضيب مغناطيسي كبير) يميل محور تناظرها قليلاً على محور دوران الأرض، ويمتد إلى مسافات تبلغ بضعة أضعاف من قطر الأرض، سواء من جانب النهار أومن جانب الليل. وتنغلق خطوط الحقل المتقابلة عند سطح الأرض في مناطق تمتد من خط الاستواء وحتى المناطق الشفقية (غير المتضمنة). ولايظهر التمايز الأساسي بين الغلافين النهاري والليلي إلا في مسافات أكبر من هذه المسافات؛ ففي حالة الغلاف المغنطيسي النهاري يبقى الحقل الشبيه بحقل الثنائية المغنطيسية صالحاً أيضاً حتى حدوده، قرب الحدّ الخارجي للغلاف المغناطيسي، ولكن الأمر يختلف تماماً بالنسبة إلى الغلاف المغنطيسي الليلي الذي يصبح متناظراً حول محور اتجاه الشمس ـ أرض، المعامد تقريباً للمحور المغنطيسي للأرض. وتصبح خطوط الحقل الصادرة جميعها من المناطق الشفقية أوالقطبية مسحوبة بشدة في الاتجاه المضاد للشمس، ولا تعود الخطوط المحيطية الخارجية تنغلق بين نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي، إلى غير ذلك يتكون الذيل المغنطيسي، مع الخصوصيات الآتية:

1ـ وجود «منطقة حيادية»، هي منطقة مسطَّحة (بضع مئات من الكيلومترات) في اتجاه الجنوب ـ شمالي، تنسحب على طولها حقول مغنطيسية متوازية ومتعاكسة في الاتجاه، تحيط بحقول غير مستقرة، ضعيفة أومعدومة، تصادفها السواتل في مركز المنطقة.

2ـ الاحتفاظ بحقول مغنطيسية ذات شدات كبيرة نسبياً (من20 إلى 40 «غاما») تظل موجودة داخل جسم الذيل ذاته، وإلى مسافات بعيدة تصل إلى عشرات بل مئات قطر الأرض.

السمات العامة

الحدّ الخارجي للغلاف المغناطيسي

لقد ثبت وجود الحدّ الخارجي للغلاف المغناطيسي بجلاء باستخدام المقاييس المغناطيسية المحمولة على السواتل أوالمسابر الفضائية، فَوُجِدَ حتى الحقل المغناطيسي الذي تقيسه هذه الأجهزة يتغير بانتظام داخل الغلاف المغنطيسي، وفجأة بعد مسافة معينة تبدأ فيه التغيرات العشوائية مع هبوط في الشدة. ويمكن فهم تشكل هذا الحدّ الواضح في جانب الشمس على النحوالآتي: فرضا حتى مستوياً ناقلاً ضخماً يقترب من الأرض، وعندما يبتر هذا المستوى خطوط حقل المجال المغناطيسي الأرضي تتولد فيه ـ حسب قوانين الكهرمغناطيسية ـ تيارات تحريضية تخضع لقوى لابلاس تعوق تغير حركة هذا المستوي، وتكون شدة هذه القوى عظمى في جوار المستقيم أرض ـ شمس، فإذا كان هذا المستوي قابلاً للتشوه، يتغير شكله، فيتحدب عن هذا المستقيم أرض ـ شمس. وليس هذا المستوي الافتراضي سوى السطح الجبهي للريح الشمسية المؤلَّفة من الجسيمات المشحونة الصادرة عن الشمس.

أحزمة الإشعاع

الذيول المغناطيسية

يَتكون الذيل المغناطيسي عن طريق الضغط الذي تولّده الرياح الشمسية على الغلاف المغناطيسي لكوكب ما. يُمكن حتى يَمتد الذيل المغناطيسي لمسافات هائلة عن كوكبه، فمثلاً يَمتد ذيل الأرض المغناطيسي لـ200 ضعف نصف قطرها على الأقل بعكس اتجاه الشمس، ولمسافة جيدة وراء مدار القمر تصل إلى حوالي 60 نصف قطر أرضي. في حين حتى ذيل المشتري المغناطيسي يَمتد لما وراء مدار زحل، وهذا يَجعل زحل مغموراً بغلاف المشتري المغناطيسي.

يَنتج الذيل المغناطيسي المُمتد لكوكب ما من الطاقة المُخزنة داخل مجاله المغناطيسي. في الأحيان التي تنطلق فيها الطاقة يُصبح المجال المغناطيسي شبه-ثنائي القطب لفترة مؤقتة، وعندما يَحدث هذا تبدأ الطاقة المحزنة بشحن البلازما (الرياح الشمسية) التي أسرتها خطوط المجال المغناطيسي المعقدة، وتنطلق بعض هذه البلازما على شكل ذيل إلى الفضاء الخارجي. أما بقية البلازما فهي تدخل إلى الغلاف المغناطيسي الداخلي حيث تنتج في تكوين ظاهرتي الشفق القطبي وحلقة تيار البلازما. ويُمكن للبلازما المشحونة والتيارات الكهربائية الناتجة عن هذه العملية حتى تهدد عمل المراكب والاتصالات والملاحة الفضائية.

موجة الصدم

لما كانت سرعة الريح الشمسية عالية جداً، من رتبة 300 إلى 800 كيلومتر/ثانية، وهي أعلى بنحوعشر مرات من سرعة أمواج آلفين؛ فإن هذه الأمواج تؤدي في هذا الوسط المتأين دور الموجات الصوتية المنتشرة في الهواء الذي يتحرك فيه جسم بسرعات فوق صوتية فتنشأ حادثة جدار الصوت بقوة موجة الصدم، وهنا تقوم الريح الشمسية مقام المتحرك بسرعات «فوق صوتية» بالنسبة إلى موجات آلفين، مما يؤدي إلى تشكل موجة الصدم أمام الحدّ الخارجي للغلاف المغنطيسي على مدى يبلغ عدة مرات من قطر الأرض، وتسمى المنطقة المحصورة بين موجة الصدم والحدّ الخارجي للغلاف المغنطيسي بالغمد المغنطيسي، وتكون مملوءة بالبلازما القادمة من الريح الشمسية.

إن عدم الاستقرار الذي يعزى إلى الحقول المتوازية والمتعاكسة في الاتجاه التي تفصل بينها ثخانات صغيرة من البلازما، قد نادى إلى التفكير بإمكان عودة الاتصال بين خطوط الحقل المتقابلة، وعندئذ تتساقط الطاقة المتحررة بشكل موجات مغناطيسية تحريكية و«انهيارات» من البلازما، على المناطق المنخفضة من الغلافين المغنطيسي والأيوني، وهذا هومصدر الشفق القطبي والعواصف الفرعية [[العاصفة المغنطيسية والفجر القطبي وما إلى ذلك.

وهناك مناطق أخرى خاصة من الغلاف المغناطيسي أُثبت وجودها هي أحزمة ڤان آلن Van Allen الإشعاعية منذ عام 1985، والأحدث منها في عام 1966 هوحد الغلاف البلازمي، وهومنطقة التناقص السريع نحوالخارج في الكثافة الإلكترونية للبلازما المكونة للغلاف المغناطيسي، إذ تتناقص قيمة هذه الكثافة بسرعة من 100 إلكترون في السنتمتر المكعب إلى نحوإلكترون واحد في السنتمتر المكعب على بعد ثلاثة أوأربعة أضعاف نصف قطر الأرض، وهويشكل عند هذا البعد حداً للغلاف البلازمي المتكون من البلازما التي تظل مرتبطة بالأرض وتدور بدورانها.

حالة الغلاف المغنطيسي التحريكية

قد يحدث للغلاف المغناطيسي:

ـ تعديل في مواضع حدوده المتنوعة، وتغيير في مناطقه الداخلية.

ـ تقلّبات وتراوحات أسرع، ترتبط غالباً بحالات عدم استقرار، وتصيب في الوقت نفسه حقله المغناطيسي وبلازماه.

وهناك معضلة مهمة هي أساليب انتنطق الطاقة بين الإشعاعات الشمسية والغلاف المغناطيسي، ثم بين الغلاف المغنطيسي وسطح الأرض، مروراً بالغلاف الأيوني. وفيما يخص النوع الأول من هذه التبادلات يظهر حتى الغمد المغناطيسي، وهومنطقة الدوّامات شبه الدائمة الواقعة أمام الحد الخارجي للغلاف المغناطيسي النهاري، يؤدي فيها دوراً متميزاً خاصاً. ومما تجدر ملاحظته حتى آليات الانتنطق ليست مباشرة دائماً، إذ يظهر حتى تخزيناً للطاقة وللبلازما يحدث داخل مختلف مناطق الغلاف المغناطيسي.

يُذكر في هذا الشأن حتى الحقل المغناطيسي قادر على «احتباس» أوأسر جسيمات مشحونة يجبرها على حتى تدور حول خط الحقل، وأن تنسحب على طوله، فيصبح مسارها لولبياً حول خط الحقل، وتصغر خطوة اللولب مع ازدياد شدة الحقل، أي الاقتراب من الأرض، حيث يؤول المسار إلى دائرة وحسب، ثم ترتد الجسيمات المشحونة على نصف الكرة الأرضية في الاتجاه المعاكس، لتعاود الأسر بخط حقل والاقتراب من حديث من نصف الكرة الأرضية الثاني، إلى غير ذلك تنعكس الجسيمات ذهاباً وإياباً بين نصفي الكرة الأرضية، وكأنها في «قارورة مغناطيسية» أومصيدة تنعكس على التناوب بين مبترين قائمين فيها. إلى غير ذلك يمكن حتى يُفسّر مثلاً تراكيز البروتونات والنترونات وتجمُّعها في مناطق أحزمة فان آلن الإشعاعية. ويمكن لاضطرابات عابرة عَرَضية في الحقل حتى تتيح فك أسر الجسيمات وتحريرها من المصيدة هذه، مما يشكل عاصفة مغناطيسية أوشفقاً قطبياً.

ومن المظاهر التي يتواتر حدوثها في أثناء الحالة التحريكية للغلاف المغنطيسي (حتى في الحالة التي يعدّ الغلاف فيها «هادئاً» على الإجمال) «النبضات المغناطيسية» التي يُشاهد عدد كبير من أنماطها على سطح الأرض، غير حتى السواتل بدأت تسجلها، في مواقعها مما يؤكد حتى مصدرها الرئيس هوالغلاف المغناطيسي، فهماً بأن الغلاف الأيوني يمكن حتى يتدخل بوصفه «مرشِّحاً» فاعلاً أومنعملاً.

وتشكل دراسة هذه النبضات إحدى الطرائق المستخدمة لفهم سلوك الغلاف المغناطيسي، من أجل تحديد مختلف «تجاويفه التجاوبية» وانزياحات «جدرانها»، ومن أجل متابعة طرائق إثارته بالإشعاعات الشمسية.

باختصار؛ إذا الغلاف المغناطيسي يتحكم، بسبب موضعه الحدودي الذي يشغله، بالاشتراك مع الغلاف الجوي المعتدل والغلاف الأيوني، في جزء كبير من علاقات الشمس ـ الأرض. وتقدّم دراسته فائدة مباشرة لأنشطة أرضية مهمّة كالإرسال الراديوي والملاحة الفضائية والأرصاد الجوية العامة… الخ، وله فوق ذلك فائدة خاصة فيما هوحديث في النظام الفيزيائي «والمختبر» الفضائي. ومن التوجهات الجديدة تبيان الدور الذي يمكن حتى تؤديه الحقول الكهربائية أيضاً، بعد الحقول المغناطيسية، في مثل هذا النظام.

تصنيف الحقول المغناطيسية

الزوابع والعواصف المغناطيسية

المراجع

• الأغلفة المغناطيسية - من وكالة الفضاء ناسا.

وصلات خارجية

• USGS Geomagnetism Program
• Aurora borealis
• Magnetosphere: Earth's Magnetic Shield Against the Solar Wind
• Physics of the Aurora
• "3D Earth Magnetic Field Charged-Particle Simulator" Tool dedicated to the 3d simulation of charged particles in the magnetosphere.. [VRML Plug-in Required]
• "Exploration of the Earth's Magnetosphere", Educational web site by David P. Stern and Mauricio Peredo