Магнітне поле Землі – це щит довкола нашої планети, який захищає її від згубного сонячного випромінювання. Утім, над Латинською Америкою та південною частиною Атлантичного океану утворилась навдивовижу слабка ділянка цього «щита», що отримала назву Південно-атлантичної аномалії (ПАА). Завдяки їй високоенергетичні частинки сонячної радіації можуть проникати набагато ближче до поверхні Землі. Це може вивести з ладу електронні системи на борту літаків та перешкоджати роботі супутників. Саме тому НАСА витрачає великі зусилля на дослідження цієї аномалії.
Це явище також дуже цікавить геонауковців, які здійснюють моніторинг магнітного поля, адже воно може розповісти багато цікавого про ядро та атмосферу нашої планети.
На щастя, ПАА поки що ніяк не впливає на життєдіяльність людей на поверхні Землі. Але з недавніх спостережень стало зрозуміло, що вона повільно зміщується на захід, а поле у ній продовжує слабнути. Крім того, так звана долина аномалії – ділянка з мінімальною силою поля – розкололась на дві частини, що створює додаткові проблеми для супутників.
Південно-атлантична аномалія пов'язана з двома особливостями земного ядра – нахилом його магнітної вісі та потоками розплавлених металів у його зовнішній частині.
Наша планета чимось нагадує стрижневий магніт з північним та південним полюсами й невидимими силовими лініями поля між ними. Але, на відміну від стрижневого магніта, магнітні полюси Землі не розташовані строго навпроти один одного, а поле не є ідеально стабільним.
Генератором магнітного поля нашої планети є її зовнішнє ядро, де на глибині майже 3 тис. км обертається гігантська маса розплавленого заліза та інших металів. Це так зване геодинамо породжує електричні струми, які й утворюють поле.
При цьому це поле постійно змінюється унаслідок складних геодинамічних процесів усередині ядра та на межі між рідким зовнішнім ядром та мантією, зокрема нахиляються та зміщуються магнітні полюси. Аналізуючи ці зміни, науковці можуть опосередковано дізнаватись про те, що відбувається у самому ядрі.
«Магнітне поле Землі – це, власне, суперпозиція полів із багатьох джерел струму», – каже Террі Сабака, геофізик з Центру космічних польотів ім. Ґоддарда у м. Ґрінбелт (штат Меріленд). Ділянки мантії довкола ядра також впливають на магнітне поле, яке ми спостерігаємо. Але, за його словами, його основа походить все ж від ядра.
Процеси усередині ядра та нахил магнітної вісі разом утворюють ділянку зі слабшим магнетизмом, що дозволяє зарядженим частинкам Сонця підійти ближче до земної поверхні.
Південно-атлантична аномалія (ПАА).
Сонце утворює постійний потік високоенергетичних заряджених частинок, який відомий як «сонячний вітер», а також великі спалахи гарячої плазми, звані корональними викидами маси. Коли цей сонячний матеріал потрапляє у магнітосферу, він розподіляється вздовж двох поясів у формі бублика, що називаються поясами Ван-Аллена. Заряджені частинки потрапляють у силові лінії магнітного поля, неначе в пастку, й постійно рухаються між полюсами, не потрапляючи на Землю. Внутрішній пояс розпочинається на висоті приблизно 650 км над рівнем моря й утримує сонячну радіацію на безпечній відстані не лише від поверхні нашої планети, а й від її штучних супутників.
Але коли на Сонці вирують особливо потужні шторми, пояси Ван Аллена стають перевантаженими, що дозволяє сонячним частинкам проникати крізь атмосферу.
«Спостережувану ПАА можна інтерпретувати як ослаблення дипольного поля у цьому регіоні, – стверджує Вейцзя Гуан, геофізик та математик з Геодезичної та геофізичної лабораторії ЦКС ім. Ґоддарда. – У цій зоні утворилось локалізоване поле з сильно оберненою полярністю, що ослабило його інтенсивність».
Хоча Південно-атлантична аномалія зумовлена ефектами всередині Землі, їхні наслідки поширюються далеко за межі земної поверхні. Зокрема, цей регіон може бути небезпечним для супутників, що рухаються низькоземними орбітами. Якщо в такий супутник потрапляє високоенергетичний протон, він зумовлює локальне коротке замикання, зване одноразовим розладом (single-event upset, SEU). Це може викликати тимчасові збої його функцій чи навіть узагалі вивести його з ладу, якщо ураженим буде якийсь з його ключових компонентів. Щоб запобігти цьому, оператори зазвичай вимикають несуттєві компоненти супутників, коли вони проходять повз ПАА. Власне, над нею постійно пролітає зонд НАСА ICON («Дослідник іоносферних з’єднань»), який фіксує її межі.
Міжнародна космічна стандція, яка обертається на низькоземній орбіті, теж проходить над цією ділянкою. Хоча астронавти на її борту добре захищені від сонячної радіації, але від неї потерпають її окремі інструментів, зокрема лідар GEDI («Глобальне дослідження динаміки екосистем»). ПАА зумовлює миготіння детекторів GEDI й потребу перезапускати його елементи живлення приблизно щомісяця, каже Браян Блер, заступник головного інженера з експлуатації. Хоча він додає, що ці події не створюють суттєвих перешкод для місії.
Окрім сили магнітного поля, науковці також вимірюють рівень радіації у ПАА. Зокрема, найбільше даних зібрав американський зонд SAMPEX («Дослідник сонячних, аномальних та магнітосферних частинок»), який працював з 1992 до 2012 р. На основі цих даних геофізик НАСА Ешлі Ґрілі у своїй кандидатській дисертації показала, що ПАА повільно дрейфує у північно-західному напрямку. Її результати дозволили підтвердити низку моделей ПАА, створених на основі геомагнітних спостережень.
«Заряджені частинки спрямовуються магнітним полем. Тож будь-яка інформація про частинки є водночас інформацією про поле», – каже Шрі Канекал, дослідник з Лабораторії геліосферної фізики ЦКС ім. Ґоддарда.
Результати досліджень Ґрілі, опубліковані в журналі Space Weather, також дозволили вченим визначити рівень опромінення, якого зазнають супутники, пролітаючи над ПАА. На основі цієї інформації внесли корективи в конструкцію космічних літальних апаратів, зокрема інженери створили системи, які передбачають і оперативно реагують на збої в роботі супутників.
Різні команди науковців сьогодні разом працюють, щоб спрогнозувати динаміку ПАА, використовуючи для цього дані місії ЄКА Swarm, місій космічних агентств інших країн та дані наземних спостережень. Команда Сабаки аналізує результати спостережень за магнітним полем, щоб виокремити першопричини його динаміки. Ці дані вони передають команді Гуана, яка поєднує їх з теоретичною моделлю динаміки ядра, щоб передбачити зміни у поведінці магнітного поля Землі.
Геодинамічні моделі унікальні завдяки використанню фізики ядра для прогнозування поведінки магнітного поля у близькій перспективі, каже Ендрю Тенґборн, математик з Лабораторії планетної геодинаміки ЦКС ім. Ґоддарда.
«Це дещо нагадує прогноз погоди, але ми працюємо із зовсім іншим ‘матеріалом’ та набагато тривалішими періодами. Причому наша робота у ЦКС принципово відрізняється від того, що роблять інші дослідницькі команди», – розповідає науковець.
Зокрема, команди Сабаки та Гуана створили так зване Міжнародне геомагнітне аналітичне поле (IGRF), яке узагальнило цілу низку теоретичних моделей, створених в дослідницьких лабораторіях різних країн, і описує магнітне поле від ядра й до меж атмосфери.
«ПАА не лише дрейфує, а й змінюється у своїй морфології, тому так важливо спостерігати за нею за допомогою постійних місій. Адже саме це дозволяє створювати моделі і робити передбачення», – каже Сабака.
Тож в основі дослідження ПАА лежить не лише практичний інтерес, пов’язаний з роботою супутників. Вона також дає змогу зрозуміти процеси, які відбуваються в ядрі Землі й впливають на чимало земних систем, каже Гуан. Ця «вм’ятина» у земному магнітному полі дозволяє не лише забезпечити безперешкодну роботу телекомунікаційних та інших систем, а й краще зрозуміти нашу планету.
Researchers track slowly splitting 'dent' in Earth's magnetic field
ScienceDaily, 17/08/2020
Зреферував Є. Л.