NASA-forskere sporer langsomt splittende buler i Jordens magnetfelt

En lille, men udviklende bule i Jordens magnetfelt kan forårsage stor hovedpine for satellitter.

Jordens magnetfelt fungerer som et beskyttende skjold rundt om planeten, frastøder og fanger ladede partikler fra Solen. Men over Sydamerika og det sydlige Atlanterhav, et usædvanligt svagt sted i marken - kaldet den sydatlantiske anomali, eller SAA – tillader disse partikler at dyppe tættere på overfladen end normalt. Partikelstråling i denne region kan slå computere ombord ud og forstyrre dataindsamlingen af ​​satellitter, der passerer gennem den - en vigtig grund til, at NASA-forskere ønsker at spore og studere anomalien.

Den sydatlantiske anomali er også af interesse for NASAs jordforskere, som overvåger ændringerne i magnetfeltstyrken der, både for hvordan sådanne ændringer påvirker Jordens atmosfære og som en indikator for, hvad der sker med Jordens magnetfelter, dybt inde i kloden.

I øjeblikket, SAA skaber ingen synlige indvirkninger på dagligdagen på overfladen. Imidlertid, seneste observationer og prognoser viser, at regionen ekspanderer mod vest og fortsætter med at svækkes i intensitet. Den deler sig også - nyere data viser anomaliens dal, eller område med minimum feltstyrke, har delt sig i to lapper, skabe yderligere udfordringer for satellitmissioner.

Et væld af NASA-forskere inden for geomagnetisk, geofysik, og heliofysiske forskningsgrupper observerer og modellerer SAA, at overvåge og forudsige fremtidige ændringer - og hjælpe med at forberede fremtidige udfordringer for satellitter og mennesker i rummet.

Det er det, der er indeni, der tæller

Den sydatlantiske anomali opstår fra to træk ved Jordens kerne:Hældningen af ​​dens magnetiske akse, og strømmen af ​​smeltede metaller i dens ydre kerne.

Jorden er lidt som en stangmagnet, med nord- og sydpoler, der repræsenterer modsatrettede magnetiske polariteter og usynlige magnetfeltlinjer, der omkranser planeten mellem dem. Men i modsætning til en stangmagnet, det magnetiske kernefelt er ikke perfekt justeret gennem kloden, den er heller ikke helt stabil. Det er fordi feltet stammer fra Jordens ydre kerne:smeltet, jernrig og i kraftig bevægelse 1800 miles under overfladen. Disse kværnende metaller fungerer som en massiv generator, kaldet geodynamo, skabe elektriske strømme, der producerer magnetfeltet.

Når kernebevægelsen ændrer sig over tid, på grund af komplekse geodynamiske forhold inde i kernen og ved grænsen til den faste kappe ovenover, magnetfeltet svinger også i rum og tid. Disse dynamiske processer i kernen bølger udad til det magnetiske felt, der omgiver planeten, generering af SAA og andre funktioner i det nære Jord-miljø - inklusive hældningen og driften af ​​de magnetiske poler, som bevæger sig over tid. Disse udviklinger på området, som sker på samme tidsskala som konvektion af metaller i den ydre kerne, give videnskabsfolk nye spor for at hjælpe dem med at optrevle kernedynamikken, der driver geodynamoen.

"Det magnetiske felt er faktisk en superposition af felter fra mange strømkilder, " sagde Terry Sabaka, en geofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Regioner uden for den faste jord bidrager også til det observerede magnetfelt. Imidlertid, han sagde, hovedparten af ​​feltet kommer fra kernen.

Kræfterne i kernen og hældningen af ​​den magnetiske akse producerer sammen anomalien, området med svagere magnetisme - hvilket tillader ladede partikler fanget i Jordens magnetfelt at dykke tættere på overfladen.

Solen udstøder en konstant udstrømning af partikler og magnetiske felter kendt som solvinden og enorme skyer af varmt plasma og stråling kaldet koronale masseudstødninger. Når dette solmateriale strømmer hen over rummet og rammer Jordens magnetosfære, rummet optaget af Jordens magnetfelt, det kan blive fanget og holdt i to donut-formede bælter rundt om planeten kaldet Van Allen Belts. Bælterne begrænser partiklerne til at rejse langs Jordens magnetfeltlinjer, løbende hopper frem og tilbage fra stang til stang. Det inderste bælte begynder omkring 400 miles fra Jordens overflade, som holder sin partikelstråling på en sund afstand fra Jorden og dens kredsende satellitter.

Imidlertid, når en særlig kraftig storm af partikler fra Solen når Jorden, Van Allen-remmene kan få høj energi, og magnetfeltet kan blive deformeret, lader de ladede partikler trænge ind i atmosfæren.

"Den observerede SAA kan også fortolkes som en konsekvens af svækkelse af dominansen af ​​dipolfeltet i regionen, " sagde Weijia Kuang, en geofysiker og matematiker i Goddards Geodesy and Geophysics Laboratory. "Mere specifikt, et lokaliseret felt med omvendt polaritet vokser kraftigt i SAA-regionen, hvilket gør feltintensiteten meget svag, svagere end de omkringliggende regioners."

Et hul i rummet

Selvom den sydatlantiske anomali opstår fra processer inde i Jorden, det har virkninger, der rækker langt ud over Jordens overflade. Området kan være farligt for satellitter i lavt kredsløb om Jorden, der rejser gennem det. Hvis en satellit rammes af en højenergiproton, det kan kortslutte og forårsage en hændelse kaldet single event upset eller SEU. Dette kan forårsage, at satellittens funktion fejler midlertidigt eller kan forårsage permanent skade, hvis en nøglekomponent rammes. For at undgå at miste instrumenter eller en hel satellit, operatører lukker normalt ikke-essentielle komponenter ned, når de passerer gennem SAA. Ja, NASA's Ionospheric Connection Explorer rejser regelmæssigt gennem regionen, og derfor holder missionen konstant øje med SAA's position.

Den Internationale Rumstation, som er i lav kredsløb om Jorden, passerer også gennem SAA. Det er godt beskyttet, og astronauter er sikre mod skade, mens de er inde. Imidlertid, ISS har andre passagerer, der er påvirket af de højere strålingsniveauer:Instrumenter som Global Ecosystem Dynamics Investigation-missionen, eller GEDI, indsamle data fra forskellige positioner på ydersiden af ​​ISS. SAA forårsager "blip" på GEDI's detektorer og nulstiller instrumentets strømkort cirka en gang om måneden, sagde Bryan Blair, missionens stedfortrædende hovedefterforsker og instrumentforsker, og en lidar instrument videnskabsmand ved Goddard.

"Disse begivenheder forårsager ingen skade for GEDI, " sagde Blair. "Detektorblipsene er sjældne sammenlignet med antallet af laserskud - omkring et blip ud af en million skud - og nulstillingslinjehændelsen forårsager et par timers tabte data, men det sker kun hver måned eller deromkring."

Ud over at måle SAA's magnetiske feltstyrke, NASA-forskere har også studeret partikelstrålingen i regionen med Solar, Unormalt, og magnetosfærisk partikeludforsker, eller SAMPEX - den første af NASAs Small Explorer-missioner, lanceret i 1992 og leverede observationer indtil 2012. En undersøgelse, ledet af NASA heliofysiker Ashley Greeley som en del af hendes doktorafhandling, brugt to årtiers data fra SAMPEX til at vise, at SAA langsomt men støt driver i nordvestlig retning. Resultaterne hjalp med at bekræfte modeller skabt ud fra geomagnetiske målinger og viste, hvordan SAA's placering ændrer sig, efterhånden som det geomagnetiske felt udvikler sig.

"Disse partikler er tæt forbundet med magnetfeltet, som styrer deres bevægelser, " sagde Shri Kanekal, en forsker i Heliosfærisk Fysik Laboratorium ved NASA Goddard. "Derfor, enhver viden om partikler giver dig også information om det geomagnetiske felt."

Greeleys resultater, offentliggjort i tidsskriftet Space Weather, var også i stand til at give et klart billede af typen og mængden af ​​partikelstråling satellitter modtager, når de passerer gennem SAA, som understregede behovet for fortsat overvågning i regionen.

De oplysninger, Greeley og hendes samarbejdspartnere fik fra SAMPEX's in-situ målinger, har også været nyttige til satellitdesign. Ingeniører til den lave jordbane, eller LEO, satellit brugte resultaterne til at designe systemer, der ville forhindre en latch-up hændelse i at forårsage fejl eller tab af rumfartøjet.

Modellering af en sikrere fremtid for satellitter

For at forstå, hvordan SAA ændrer sig og forberede sig på fremtidige trusler mod satellitter og instrumenter, Sabaka, Kuang og deres kolleger bruger observationer og fysik til at bidrage til globale modeller af Jordens magnetfelt.

Holdet vurderer den aktuelle tilstand af magnetfeltet ved hjælp af data fra European Space Agency's Swarm-konstellation, tidligere missioner fra agenturer rundt om i verden, og jordmålinger. Sabakas team pirrer observationsdataene ad for at adskille deres kilde, før de videregiver dem til Kuangs team. De kombinerer de sorterede data fra Sabakas team med deres kernedynamikmodel for at forudsige geomagnetisk sekulær variation (hurtige ændringer i magnetfeltet) ind i fremtiden.

Geodynamo-modellerne er unikke i deres evne til at bruge kernefysik til at skabe nær fremtidsudsigter, sagde Andrew Tangborn, en matematiker i Goddards Planetary Geodynamics Laboratory.

"Dette svarer til, hvordan vejrudsigter produceres, men vi arbejder med meget længere tidsskalaer, " sagde han. "Dette er den grundlæggende forskel mellem, hvad vi gør hos Goddard og de fleste andre forskningsgrupper, der modellerer ændringer i Jordens magnetfelt."

En sådan applikation, som Sabaka og Kuang har bidraget til, er International Geomagnetic Reference Field, eller IGRF. Brugt til en bred vifte af forskning fra kernen til atmosfærens grænser, IGRF er en samling af kandidatmodeller lavet af verdensomspændende forskerhold, der beskriver Jordens magnetfelt og sporer, hvordan det ændrer sig over tid.

"Selvom SAA går langsomt, det gennemgår en ændring i morfologi, så det er også vigtigt, at vi bliver ved med at observere det ved at have fortsatte missioner, " sagde Sabaka. "Fordi det er det, der hjælper os med at lave modeller og forudsigelser."

Det skiftende SAA giver forskere nye muligheder for at forstå Jordens kerne, og hvordan dens dynamik påvirker andre aspekter af jordsystemet, sagde Kuang. Ved at spore denne langsomt udviklende "bule" i magnetfeltet, forskere kan bedre forstå, hvordan vores planet ændrer sig, og hjælpe med at forberede sig på en sikrere fremtid for satellitter.