ચુંબકીય મંડળ (magnetosphere)

ચુંબકીય મંડળ (magnetosphere) : તારા કે ગ્રહની ફરતે ચુંબકીય વર્ચસ્ ધરાવતું પર્યાવરણ. તારા કે ગ્રહની આસપાસ આવેલું ચુંબકીય ક્ષેત્ર, વાયુ ગતિકી (gas dynamics) કરતાં વધુ પ્રભુત્વ ધરાવે છે. ચુંબકીય મંડળ એ 1011 વૉટ ઊર્જાનું સર્જન કરનાર, સૌર પવન વડે ઉદભવતું એક કુદરતી જનિત્ર (generator) છે. સૌર પવન પ્રોટૉન, ઇલેક્ટ્રૉન અને અન્ય આયનીકૃત કણોનો સૂર્યમાંથી બધી દિશાઓમાં જતો પ્રવાહ છે. સૌરકલંક (sunspots) અને પ્રજ્વાલ (flare) જેવી સૌર સક્રિયતા દરમિયાન આ કણોની સંખ્યા તેમજ વેગમાં વધારો થતો હોય છે. આ સૌર પવન પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રનો અસંમિતીય (unsymmetrical) આકાર બનાવે છે. આ સૌર પવન ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં થઈને ગતિ કરતો સંપૂર્ણ આયનીકૃત પ્લાઝમા છે, તેથી તે વિદ્યુતવાહક છે. ચુંબકીય મંડળમાં પ્રચંડ ઊર્જાને કારણે ધ્રુવીય જ્યોતિ (aurora) અને ચુંબકીય તોફાનો (magnetic storms) જેવી ધ્યાનપાત્ર ઘટનાઓ ઉદભવતી હોય છે.

ચુંબકીય મંડળ પૃથ્વીની ફરતે ધૂમકેતુ આકાર(comet shaped)ની અર્દશ્ય બખોલ (cavity) છે, જેના બુઠ્ઠા-અગ્ર ભાગનું પૃથ્વીથી અંતર આશરે પૃથ્વીની 10 ત્રિજ્યા જેટલું છે. પૃથ્વીની હજારો ત્રિજ્યા જેટલી લાંબી તેની પૂંછડી સૌર પવનની દિશામાં છે. પૃથ્વીનું ચુંબકીય મંડળ સૌર પવનના પ્રવાહ સાથે સંકળાયેલ વિસ્તૃત પ્રઘાતી તરંગ (shock wave) વડે ઘેરાયેલું છે. પ્લાઝમાની લાક્ષણિકતાને ધોરણે ચુંબકીય મંડળને વાન ઍલન, વિકિરણ-પટ, પ્લાઝમા મંડળ (plasmosphere) અને પ્લાઝમા સ્તર જેવા ભાગમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

ચુંબકીય મંડળની રચનાનો સિદ્ધાંત સૌપ્રથમ, 1931માં સિડની ચેપમૅન અને વી. સી. એ. ફેરારો નામના વિજ્ઞાનીઓએ આપ્યો હતો, જેને 1961માં ઍક્સ્પ્લોરર-12 ઉપગ્રહ દ્વારા લેવામાં આવેલા અવલોકન વડે સમર્થન મળ્યું છે. અવકાશ-તપાસ(space-probe) પદ્ધતિ વડે જાણી શકાયું છે કે બુધ, ગુરુ અને શનિ જેવા ગ્રહની આસપાસ ચુંબકીય મંડળ આવેલું છે.

પ્લાઝમા : ઉપગ્રહ વડે લીધેલાં અવલોકનોને આધારે જાણી શકાયું છે કે બખોલમાં જુદા જુદા પ્રકારના પ્લાઝમા રહેલા છે. [પ્લાઝમા એટલે ધન તથા ઋણ વિદ્યુતભારિત અને વિદ્યુત-તટસ્થ કણોનો સમૂહ.] સૂર્યમાંથી આવતા સૌર પવનમાંનો થોડોક પ્લાઝમા, ચુંબકીય મંડળ તરફ ફૂંકાય છે. આ વિભાગને પ્લાઝમામંડળ કહે છે. ચુંબકીય મંડળના અગ્રભાગથી ધ્રુવીય આયનમંડળ (ionosphere) સુધી વિસ્તરેલા બે વિભાગ ગળણી-આકાર(funnel shaped)ના છે. તેમની અંદર પણ સૌર પવન પ્લાઝમા આવેલો છે. ચુંબકીય મંડળની પૂંછડીનો વિસ્તૃત વિભાગ પ્લાઝમાના પાતળા સ્તર વડે ઉત્તર અને દક્ષિણ એવા બે ભાગમાં વિભાજિત થયેલો છે. મધ્યાહન અને મધ્યરાત્રિએ ચુંબકીય મંડળનો આડછેદ અને તેની અંદરના જુદા જુદા પ્લાઝમા આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે.

સૌર પવન ચુંબકીય મંડળ જનિત્ર : સૌર પવનમાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર ન હોય તો પૃથ્વીનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ધૂમકેતુ-આકારની બખોલ જેવું નહિ પણ અશ્રુ-આકાર (teardrop shaped) બખોલ જેવું હોય છે. ચુંબકીય મંડળની અંદર થતી કેટલીક આંતરક્રિયાઓ માટે સૌર પવનની ચુંબકીય ક્ષેત્રરેખાઓ અને પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રની રેખાઓનું સંયોજન મહત્વની બાબત છે. સૌર પવન સંપૂર્ણ આયનીકૃત પ્લાઝમા હોઈ તે સંયોજિત ચુંબકીય ક્ષેત્રરેખાઓની નજીક થઈને પસાર થાય છે, પરિણામે તે વિસ્તારમાં વિદ્યુતચાલક બળ ઉત્પન્ન થાય છે. આમ સૌર પવન, ચુંબકીય મંડળ જનિત્રને ઊર્જા પૂરી પાડે છે અને ચુંબકીય મંડળમાં થતી લગભગ બધી જ પ્રક્રિયાઓ, જેવી કે ધ્રુવીય જ્યોતિઘટના, ચુંબકીય મંડળીય વિક્ષોભ (disturbance) અને ચુંબકીય તોફાનો માટેની જરૂરી વિદ્યુત-ઊર્જા પૂરી પાડે છે. અર્થાત્, સૌર પવન (ચુંબકિત પ્લાઝમાનો પ્રવાહ) તેની પોતાની ઊર્જાને ચુંબકીય મંડળ સાથે યુગ્મિત કરે છે.

ચુંબકીય મંડળની આંતરિક સંરચના : આ સંરચનામાં ચુંબકીય મંડળના પેટાવિભાગ(magnetopause)ની આસપાસ સૌર પવનમાંના પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ, સૌર ચુંબકીય ક્ષેત્રની રેખાઓની પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથેની સંલગ્નત્વ (linkage) અને પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રની રેખાઓ પણ આકૃતિ 2માં દર્શાવેલી છે.

ધ્રુવીય જ્યોતિઘટના (auroral phenomenon) : અવકાશમાં થતા વિદ્યુતવિભાર (discharge) પરિપથને ધ્રુવીય જ્યોતિ પરિપથ પણ કહી શકાય, કારણકે વિદ્યુતભારિત કણના પ્રવેગ માટે તે જવાબદાર છે. પ્રવેગિત કણ ઉપલા વાતાવરણના કણ સાથે અથડાય ત્યારે પ્રવેગિત કણ ઉપલા વાતાવરણના કણને કાં તો ઉત્તેજિત કરે છે અથવા તેમનું આયનીકરણ કરે છે. ઉપલા વાતાવરણમાંના ઉત્તેજિત થયેલા આ આયનીકૃત કણ, નિમ્ન કે ધરાઅવસ્થા(ground state)માં આવે ત્યારે વધારાની ઊર્જાનું પ્રકાશ સ્વરૂપે ઉત્સર્જન થાય છે, જેને ધ્રુવીય જ્યોતિ કહે છે.

સૌર પવન ચુંબકીય મંડળ જનિત્ર વડે પેદા થતી કુલ શક્તિ (power), સૌર પવન ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશા તથા સૌર પવનની ઝડપ ઉપર આધાર રાખે છે. સૌર પવન ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશા દક્ષિણ તરફ હોય ત્યારે મહત્તમ શક્તિ અને તે ઉત્તર તરફ હોય ત્યારે ન્યૂનતમ શક્તિ પેદા થાય છે. સૌર પવન ચુંબકીય ક્ષેત્ર B તથા સૌર પવનની ઝડપ V જેમ વધુ તેમ વધુ શક્તિ પેદા થાય છે. દર સેકન્ડે પેદા થતી શક્તિ P નીચેના સૂત્ર વડે મળે છે :

જ્યાં θ, સૂર્ય અને પૃથ્વીને જોડતી રેખાને લંબ સમતલ સાથે સૌર પવન સદિશનો, ધ્રુવીય (polar) કોણ છે. l_o, અચળાંક છે જેનું મૂલ્ય પૃથ્વીની ત્રિજ્યા કરતાં લગભગ 7 ગણું છે.

ચુંબકીય મંડળના સામીપ્યમાં સૌર પવન ચુંબકીય ક્ષેત્રનો સદિશ, ઉત્તરથી દક્ષિણ તરફ વળે તેમ જનિત્ર વધુ ને વધુ શક્તિ ઉત્પન્ન કરે છે. આથી પ્લાઝમા સ્તરમાં વિદ્યુતપ્રવાહ વધે છે. જેમ વધુ ને વધુ ઊર્જા પેદા થતી જાય છે, તેમ ચુંબકીય મંડળ વડે વધુ ઊર્જા વપરાય છે. દર સેકન્ડે વપરાતી ઊર્જા વધતી જાય તેમ ચુંબકીય મંડળમાં ઉપ-તોફાનો (sub-storms) પેદા થાય છે, આથી પૃથ્વી તરફ આવેલા પ્લાઝમાના સ્તરને એકાએક પૃથ્વી તરફ ધક્કો લાગે છે. આ રીતે ચુંબકીય મંડળમાં પ્રક્ષિપ્ત (inject) થતો પ્લાઝમા વિદ્યુતભાર પ્રવાહનો વલયાકાર પટ્ટો રચે છે. તે સમયે ધ્રુવીય જ્યોતિ પરિપથ ઉપર વિદ્યુતપ્રવાહની તીવ્રતા વધે છે. તેથી ધ્રુવીય જ્યોતિ વધુ તેજસ્વી અને સક્રિય બને છે. ધ્રુવીય જ્યોતિ પરિપથના વિસ્તૃત આયનમંડળીય વિભાગ(ionospheric region)ને ધ્રુવીય જ્યોતિ ઇલેક્ટ્રૉજેટ કહે છે. ધ્રુવીય જ્યોતિ ઇલેક્ટ્રૉજેટ નજીક અને તેની નીચે આવેલાં ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પ્રબળ ફેરફાર થાય છે. આથી સૌર પવન ચુંબકીય મંડળ જનિત્રની શક્તિની અસર ખાસ કરીને ધ્રુવીય પ્રદેશમાં જોવા મળે છે. પ્રબળ ચુંબકીય વિક્ષોભને ધ્રુવીય ચુંબકીય ઉપ-તોફાનો કહે છે. તે વખતે આયનમંડળમાં પણ ભારે વિક્ષોભ પેદા થાય છે. આ ઘટનાને આયનમંડળીય ઉપ-તોફાન કહે છે. આયનમંડળમાં પેદા થતા વિક્ષોભ, ઉચ્ચ અક્ષાંશે, ઉચ્ચ આવૃત્તિવાળા રેડિયોસંચાર ઉપર ભારે અસર ઉપજાવે છે. ઉપગ્રહ વડે થતા સૂક્ષ્મતરંગ (micro-wave) સંચાર ઉપર પણ ધ્રુવીય જ્યોતિ અસર કરે છે.

પૃથ્વી સુવાહક હોવાથી ધ્રુવીય જ્યોતિ ઇલેક્ટ્રૉજેટ પૃથ્વીની સપાટી ઉપર વિદ્યુતવિભવ ઉત્પન્ન કરે છે. આથી વિદ્યુતવિભવવાળાં બે બિંદુઓ વચ્ચે વાહક જોડવામાં આવે તો તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થાય છે. આ કારણે તેલ અને વાયુની પાઇપમાં વિદ્યુતપ્રવાહ પ્રેરિત થાય છે. ધ્રુવીય જ્યોતિ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉચ્ચ અક્ષાંશ આગળ શક્તિસંચાર લાઇન(transmission line)માં વિદ્યુતપ્રવાહ પેદા થાય છે. ખાસ કરીને ઇલેક્ટ્રૉજેટ પ્રબળ હોય ત્યારે શક્તિસંચાર લાઇનમાં ભારે વધઘટ થતી હોય છે.

સૂર્યની સપાટી ઉપર પ્રબળ વિસ્ફોટ થતાં સૌર પ્રજ્વાલ (solar flares) ઉત્પન્ન થાય છે. તે ખૂબ ઝડપથી સૌર પવન ઉત્પન્ન કરે છે. સૌર પવન પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રનું મોટા પાયે વિરૂપણ કરે છે જેનાથી ભૂચુંબકીય (geomagnetic) તોફાનો સર્જાય છે.

સૂર્યકલંકનું 11-વર્ષીય ચક્ર મંદ પડે તે વખતે સૂર્યના કેટલાક ભાગમાંથી વધુ ઝડપી વિદ્યુતભારિત કણની ધારા ઉદભવે છે. આવી ધારા સારા એવા સમય માટે ચાલુ રહે છે. સૂર્ય અને ધારા એ બંને 27 દિવસના આવર્તકાળ સાથે ભ્રમણ કરે છે. એક આવર્તકાળ જેટલા સમયમાં પૃથ્વી એક વખત વિદ્યુતભારિત કણની ધારામાં ડૂબે છે. આથી સૌર પવન ચુંબકીય મંડળ જનિત્રની શક્તિ વધે છે. તેમાં થતી ભારે વધઘટને કારણે ચુંબકીય મંડળમાં ઉપતોફાનો અને ધ્રુવીય જ્યોતિની સક્રિયતા જોવા મળે છે.

ગ્રહો : પૃથ્વી, બુધ, ગુરુ અને શનિ જેવા ગ્રહોની આસપાસ લગભગ એક જ પ્રકારનું ચુંબકીય મંડળ પ્રવર્તે છે. બુધનું ચુંબકીય મંડળ પૃથ્વીના ચુંબકીય મંડળ કરતાં ઘણું નાનું છે. પૃથ્વી કરતાં બુધની આસપાસ સૌર પવન-દબાણ વધુ અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર નબળું હોવાથી તેના ચુંબકીય મંડળનો બુઠ્ઠો અગ્રભાગ બુધથી તેના 0.5 ત્રિજ્યા જેટલા અંતરે આવેલો છે. તેથી ઊલટું નબળો સૌર પવન, પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને ઝડપી ભ્રમણને કારણે ગુરુનું ચુંબકીય મંડળ ઘણું મોટું છે. બુઠ્ઠો અગ્રભાગ ગુરુથી તેની 100 ત્રિજ્યા જેટલા અંતરે આવેલો છે. વૉયેજર-2ના તપાસ ઉપકરણ વડે જાણી શકાયું છે કે ગુરુના ચુંબકીય મંડળમાં સલ્ફ્યુરિક આયનો છે. આવાં આયનો કદાચ તેના એકાદ ઉપગ્રહમાંથી પ્રક્ષિપ્ત થતાં હોય તેવું માનવામાં આવે છે. શનિનું ચુંબકીય મંડળ ગુરુના ચુંબકીય મંડળ કરતાં થોડુંક નાનું છે પણ તે શનિનાં વલયોથી આગળ સુધી વિસ્તરેલું છે.

વિવિધ પ્લાઝમા પ્રક્રિયાઓ, પ્લાઝમા તરંગો અને પ્લાઝમા-અસ્થિરતા એ ચુંબકીય મંડળ સાથે સંકળાયેલી ઘટનાઓ છે. ચુંબકીય મંડળ એક એવી નૈસર્ગિક પ્રયોગશાળા છે, જેમાં પ્લાઝમાની વર્તણૂકનો અભ્યાસ સારી રીતે થઈ શકે છે. માટે ચુંબકીય મંડળનો અભ્યાસ એક એવી ભૂમિકા તૈયાર કરે છે જેને આધારે ખગોળ-ભૌતિકીય (astrophysical) પ્લાઝમાના સિદ્ધાંતની રચના અને ચકાસણી થઈ શકે છે. કેટલાક તારા, પલ્સાર્સ (Pulsating radio sources – Pulsars) અને તારાવિશ્ર્વો (galaxies) ચુંબકીય મંડળ ધરાવે છે.

પલ્સારની તદ્દન નજીક રહેલું પર્યાવરણ ચુંબકીય મંડળ છે. પલ્સાર અસમરેખીય (non-aligned) ચાકગતિ કરતો ચુંબક ગણી શકાય જેની સપાટી પ્રબળ ચુંબકીય તીવ્રતા ધરાવે છે. જો પલ્સારને સમરેખીય ચાકગતિ કરતું ચુંબક ગણીએ તો તેની સાથે સંકળાયેલા ચુંબકીય મંડળનો વિદ્યુતગતિકી (electrodynamic) અભ્યાસ સારી રીતે થઈ શકે.

ન્યૂટ્રૉન તારાની સપાટી ઉપર પ્રેરિત થતું વિદ્યુતક્ષેત્ર ઘણું પ્રબળ હોય છે. [તારામાં ન્યૂક્લિયર ઈંધણ (હાઇડ્રોજન) પૂરું થતાં ગુરુત્વાકર્ષણબળને કારણે ઇલેક્ટ્રૉનની અપભ્રષ્ટ અવસ્થા (degeneracy) સુધી તારા સંકોચન પામે છે. આવા તારાને ન્યૂટ્રૉન તારો કહે છે.] આથી ન્યૂટ્રૉન તારાની આસપાસ પ્લાઝમા તૈયાર થાય છે, જેના વડે ચુંબકીય મંડળમાં વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થઈ શકે છે. ભ્રમણ કરતાં ચુંબકિત ન્યૂટ્રૉન તારાની આસપાસ ક્ષેત્રનું વિતરણ આકૃતિ 3માં દર્શાવેલું છે. ન્યૂટ્રૉન તારા સાથે સહભ્રમણ (corotating) કરતા દ્રવ્યની ઝડપ પ્રકાશના વેગ જેટલી થાય ત્યારે આકૃતિ 3માં ઘાટી રેખા વડે દર્શાવેલ પ્રકાશ-નળાકાર (light cylinder) મળે છે. નળાકારની અંદર ક્ષેત્રરેખાઓ સંવૃત (closed) હોય છે, જ્યારે નળાકારની બહાર આવેલી રેખાઓ ખુલ્લી હોય છે. ન્યૂટ્રૉન તારા અને પલ્સાર્સના અભ્યાસ ઉપરથી નિષ્કર્ષ તારવી શકાય કે સંક્ષિપ્ત (compact) તારાની આસપાસ પૃથ્વીના ચુંબકીય મંડળ જેવું જ ચુંબકીય મંડળ હોય છે.

વી. પી. પટેલ

પ્રહલાદ છ. પટેલ