Исследователи проследили медленно растекающуюся вмятину в магнитном поле Земли

Небольшая, но развивающаяся вмятина в магнитном поле Земли может вызвать большие головные боли для спутников.

Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и задерживая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле, называемое Южно-Атлантической аномалией, или SAA, позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно. Излучение частиц в этой области может вывести из строя бортовые компьютеры и помешать сбору данных со спутников, которые проходят через него — основная причина, по которой ученые НАСА хотят отслеживать и изучать аномалию.

Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, которые следят за изменениями напряженности магнитного поля там, как с точки зрения того, как такие изменения влияют на атмосферу Земли, так и в качестве индикатора того, что происходит с магнитными полями Земли глубоко внутри земного шара.

В настоящее время SAA не оказывает видимого воздействия на повседневную жизнь на поверхности. Однако недавние наблюдения и прогнозы показывают, что регион расширяется на запад и продолжает ослабевать. Это также расщепление — последние данные показывают, что долина аномалии или область минимальной напряженности поля разделилась на две доли, что создает дополнительные проблемы для спутниковых миссий.

Множество ученых НАСА из исследовательских групп в области геомагнитной, геофизики и гелиофизики наблюдают и моделируют SAA, чтобы отслеживать и прогнозировать будущие изменения — и помогают подготовиться к будущим вызовам для спутников и людей в космосе.

Важно то, что внутри

Южноатлантическая аномалия возникает из-за двух особенностей ядра Земли: наклона ее магнитной оси и потока расплавленных металлов внутри ее внешнего ядра.

Земля немного похожа на стержневой магнит с северным и южным полюсами, которые представляют противоположные магнитные полярности, и невидимые силовые линии магнитного поля, окружающие планету между ними. Но в отличие от стержневого магнита, магнитное поле сердечника не идеально выровнено по всему земному шару и не идеально стабильно. Это потому, что поле происходит из внешнего ядра Земли: расплавленного, богатого железом и находящегося в энергичном движении на глубине 1800 миль под поверхностью. Эти взбалтывающиеся металлы действуют как массивный генератор, называемый геодинамо, создавая электрические токи, которые создают магнитное поле.

Поскольку движение ядра изменяется во времени из-за сложных геодинамических условий внутри ядра и на границе с твердой мантией вверху, магнитное поле также колеблется в пространстве и времени. Эти динамические процессы в ядре колеблются наружу к магнитному полю, окружающему планету, создавая SAA и другие особенности в околоземной среде, включая наклон и дрейф магнитных полюсов, которые перемещаются во времени. Эти эволюции в области, которые происходят в масштабе времени, аналогичном конвекции металлов во внешнем ядре, дают ученым новые ключи к разгадке, которые помогут им разгадать динамику ядра, которая движет геодинамо.

«Магнитное поле на самом деле представляет собой суперпозицию полей из многих источников тока», — сказал Терри Сабака, геофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Области за пределами твердой Земли также вносят свой вклад в наблюдаемое магнитное поле. Однако, по его словам, основная часть поля поступает из ядра.

Силы в ядре и наклон магнитной оси вместе создают аномалию, область более слабого магнетизма, позволяющую заряженным частицам, захваченным в магнитном поле Земли, опускаться ближе к поверхности.

Солнце испускает постоянный отток частиц и магнитных полей, известный как солнечный ветер, и огромные облака горячей плазмы и излучения, называемые выбросами корональной массы. Когда этот солнечный материал течет через пространство и ударяется о магнитосферу Земли, пространство, занятое магнитным полем Земли, он может оказаться в ловушке и удерживаться в двух кольцевых поясах вокруг планеты, называемых поясами Ван Аллена. Ремни удерживают частицы, чтобы путешествовать по линиям магнитного поля Земли, непрерывно подпрыгивая назад и вперед от полюса к полюсу. Самый внутренний пояс начинается примерно в 400 милях от поверхности Земли, что удерживает излучение частиц на нормальном расстоянии от Земли и ее орбитальных спутников.

Однако, когда особенно сильная буря частиц с Солнца достигает Земли, пояса Ван Аллена могут стать сильно заряженными, и магнитное поле может деформироваться, позволяя заряженным частицам проникать в атмосферу.

«Наблюдаемый SAA можно также интерпретировать как следствие ослабления доминирования дипольного поля в регионе», — сказал Вейджиа Куанг, геофизик и математик из лаборатории геодезии и геофизики Годдарда. «Более конкретно, локализованное поле с обратной полярностью сильно растет в области SAA, что делает интенсивность поля очень слабой, более слабой, чем в окружающих областях».

Яма в космосе

Хотя южноатлантическая аномалия возникает в результате процессов внутри Земли, ее эффекты выходят далеко за пределы поверхности Земли. Этот регион может быть опасным для спутников на низкой околоземной орбите, которые проходят через него. Если в спутник попадает протон с высокой энергией, он может короткое замыкание и вызвать событие, называемое сбоем по одному событию или SEU. Это может вызвать временные сбои в работе спутника или привести к необратимому повреждению при ударе по ключевому компоненту. Во избежание потери инструментов или всего спутника операторы обычно отключают второстепенные компоненты, когда они проходят через SAA. Действительно, Исследователь ионосферных связей НАСА регулярно путешествует по региону, поэтому миссия постоянно следит за положением SAA.

Международная космическая станция, которая находится на низкой околоземной орбите, также проходит через SAA. Он хорошо защищен, и космонавты в безопасности от повреждений. Однако на МКС есть и другие пассажиры, пострадавшие от более высоких уровней радиации: такие инструменты, как миссия по исследованию глобальной динамики экосистемы или GEDI, собирают данные с различных позиций за пределами МКС. SAA вызывает «всплески» на детекторах GEDI и сбрасывает силовые платы инструмента примерно раз в месяц, сказал Брайан Блэр, заместитель главного исследователя миссии и специалист по приборам, а также специалист по лидарным приборам из Годдарда.

«Эти события не причиняют вреда GEDI», — сказал Блэр. «Вспышки детектора редки по сравнению с количеством лазерных выстрелов — примерно одна вспышка на миллион выстрелов — и событие сброса линии приводит к потере данных на пару часов, но это происходит только раз в месяц или около того».

Помимо измерения напряженности магнитного поля SAA, ученые NASA также изучали излучение частиц в этом регионе с помощью Solar, Anomalous и Magnetospheres Particle Explorer, или SAMPEX — первой из миссий NASA Small Explorer, запущенных в 1992 году и обеспечивающих наблюдения до 2012 г. В одном исследовании, проведенном гелиофизиком НАСА Эшли Грили в рамках ее докторской диссертации, использовались данные SAMPEX за два десятилетия, чтобы показать, что SAA медленно, но неуклонно дрейфует в северо-западном направлении. Результаты помогли подтвердить модели, созданные на основе геомагнитных измерений, и показали, как местоположение SAA изменяется по мере развития геомагнитного поля.

«Эти частицы тесно связаны с магнитным полем, которое направляет их движения», — сказал Шри Канекал, исследователь Лаборатории гелиосферной физики НАСА Годдарда. «Следовательно, любое знание частиц также дает вам информацию о геомагнитном поле».

Результаты Грили, опубликованные в журнале Space Weather, также позволили получить четкое представление о типе и количестве частиц, получаемых спутниками при прохождении через SAA, что подчеркивает необходимость продолжения мониторинга в регионе.

Информация, которую Грили и ее сотрудники получили в результате измерений на месте SAMPEX, также была полезна для проектирования спутников. Инженеры спутника на низкой околоземной орбите, или НОО, использовали полученные результаты для разработки систем, которые не позволили бы событию защелкивания вызвать отказ или потерю космического корабля.

Моделирование более безопасного будущего для спутников

Чтобы понять, как меняется SAA, и подготовиться к будущим угрозам для спутников и инструментов, Сабака, Куанг и их коллеги используют наблюдения и физику, чтобы внести свой вклад в глобальные модели магнитного поля Земли.

Команда оценивает текущее состояние магнитного поля, используя данные созвездия Swarm Европейского космического агентства, предыдущие миссии агентств со всего мира и наземные измерения. Команда Сабаки разбирает данные наблюдений, чтобы выделить их источник, прежде чем передать их команде Куанга. Они объединяют отсортированные данные, полученные от команды Сабаки, со своей основной моделью динамики, чтобы прогнозировать вековые изменения геомагнитного поля (быстрые изменения магнитного поля) на будущее.

«Модели геодинамо уникальны своей способностью использовать базовую физику для создания прогнозов ближайшего будущего», — сказал Эндрю Тангборн, математик из Лаборатории планетарной геодинамики Годдарда.

«Это похоже на то, как составляются прогнозы погоды, но мы работаем с гораздо более длительными временными шкалами», — сказал он. «Это фундаментальное различие между тем, что мы делаем в Goddard, и большинством других исследовательских групп, моделирующих изменения в магнитном поле Земли».

Одним из таких приложений, которые Sabaka и Куанг внесли свой вклад в эти Международном геомагнитном Reference Field или IGRF. IGRF, используемый для различных исследований, от ядра до границ атмосферы, представляет собой набор моделей-кандидатов, созданных всемирными исследовательскими группами, которые описывают магнитное поле Земли и отслеживают его изменения во времени.

«Несмотря на то, что SAA медленно движется, он претерпевает некоторые изменения в морфологии, поэтому также важно, чтобы мы продолжали наблюдать за ним, продолжая миссии», — сказал Сабака. «Потому что это то, что помогает нам строить модели и предсказывать».

«Изменение SAA предоставляет исследователям новые возможности для понимания ядра Земли и того, как его динамика влияет на другие аспекты системы Земли», — сказал Куанг. Отслеживая эту медленно развивающуюся «вмятину» в магнитном поле, исследователи могут лучше понять, как меняется наша планета, и помочь подготовиться к более безопасному будущему для спутников.

Источник истории:

Материалы предоставлены NASA / Goddard Space Flight Center . Оригинал написан Мара Джонсон-Гро и Джессика Мерздорф. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Видео на YouTube: НАСА исследует магнитную вмятину на Земле