9 Minutės
Palydovai, stebintys Žemės magnetizmą, praneša apie plečiantįsi „įdubą" planetos magnetinėje skydelyje virš Pietų Atlanto. Nauji ilgalaikiai duomenys rodo, kad Pietų Atlanto anomalija (PAA) išsiplėtė ir silpnėja taip, kad tai atskleidžia neramius judesius giliai Žemės viduje — procesus, kurie turi tiesioginį poveikį palydovams, navigacijai ir radiacijos poveikiui žmonėms bei įrangai.
Kuo yra Pietų Atlanto anomalija ir kaip mes ją stebime
Pietų Atlanto anomalija (PAA) yra regionas virš Pietų Atlanto vandenyno bei dalies Pietų Amerikos ir pietų Afrikos, kuriame Žemės magnetinis laukas yra neįprastai silpnas. Ši silpnesnė magnetosferos sritis leidžia įkrautoms dalelėms iš kosmoso priartėti arčiau atmosferos ir stipriau sąveikauti su palydovais bei kosminėmis stotimis, leidžiančia dažniau pasireikšti elektroniniams trikdžiams ir spindulinei apkrovai.
Anomalijos šioje vietovėje pirmą kartą pastebėtos dar 1960–aisiais, tačiau nuosekli, didelės skiriamosios gebos analizė tapo įmanoma tik po Europos kosmoso agentūros (ESA) palydovų konstelacijos Swarm paleidimo 2013 metais. Swarm misija, kuriai priklauso trys bendradarbiaujantys palydovai, tiksliai žemėlapiuoja geomagnetinį lauką ir sudaro ilgiausią nenutrūkstamą duomenų seriją apie lauko elgseną, turimą šiandien. Iš šių laiko eilučių mokslininkai gali stebėti intensyvumo, formos ir magnetinių struktūrų judėjimo pokyčius, įskaitant PAA evoliuciją.
Stebėjimai atliekami naudojant pažangius magnetometrus (pvz., vektorius fluxgate tipo), palydovų paimtas taškines reikšmes ir papildomus jutiklius, matuojančius lauko orientaciją ir laikinus svyravimus. Derindami erdvinius matavimus su žemės observatorijų tinklais ir plazmos duomenimis (pvz., jonosferos ir Van Alleno juostų stebėjimais), tyrėjai gali atskirti trumpalaikes svyravimo bangas nuo ilgalaikių secularinių pokyčių, kurie susiję su geodinamo veikla Žemės gelmėse.
Nauji rezultatai: augimas, poslinkis ir lopinėta struktūra
Naujausi Swarm duomenų analizės rezultatai rodo, kad nuo 2014 metų PAA teritorija reikšmingai išsiplėtė — maždaug per plotą, lygų pusei žemyno Europa — tuo pačiu metu jos magnetinis intensyvumas ir toliau mažėja. Anomalija nėra vienas statinis „skylėtas" segmentas; ji elgiasi labiau kaip kelios susijusios dėmės ar lopai, kurie skirtingai vystosi įvairiuose regiono sektoriuose.
Kaip pabrėžia geofizikas Chris Finlay iš Danijos technikos universiteto, „Pietų Atlanto anomalija nėra tiesiog vienas blokas. Ji kinta kitaip link Afrikos nei prie Pietų Amerikos. Šioje srityje vyksta kažkas ypatingo, dėl ko laukas silpsta intensyviau nei kitur." Ši rūšies heterogeniškumas reiškia, kad vienu metu gali formuotis nauji silpno lauko lopai, tuo tarpu kiti gali prastėti arba judėti.
Swarm stebėjimai parodė vieną iš neįprastų magnetinio srauto (flux) struktūrų judant į vakarus virš Afrikos, kas prisideda prie SAA stiprumo pokyčių toje dalyje. Palyginimo vaizdų serijos iliustruoja skirtumą tarp anomalijos dydžio ir intensyvumo 2014 ir 2025 metais, matomą palyginant ilgesnių laiko intervalų žemėlapius.
Anomalijos dydis ir stiprumas 2014 m. (viršuje) ir 2025 m. (apačioje). (ESA)
Šie rezultatai suteikia ne tik vaizdinę, bet ir kiekybinę informaciją: kinta ne tik plotas, bet ir lauko gradientai, lokalus magnetinis laukas ir jo orientacija. Tokie pasikeitimai veikia ir magnetosferos parametrus viršinėje atmosferoje bei plazmos sluoksniuose, kas savo ruožtu keičia sąlygas, kuriomis veikia radijo ryšiai, GPS signalai ir kitų palydovų instrumentai.
Ką vyksta giliai Žemės viduje?
Žemės magnetinis laukas kyla iš išorinio branduolio, kuriame skysta geležis yra elektriškai laidus ir kartu vyksta konvekcija bei rotacija. Šis geodinamas paprastai sukuria maždaug dipolinį lauką — pagalvokite apie barinį magnetą su šiaurės ir pietų poliais — tačiau tikrasis laukas turi sudėtingas regionines variacijas ir laikinius pokyčius.
Žemės gelmėse, po Pietų Atlanto anomalija, dalis magnetinio srauto elgiasi netikėtai: vietoje to, kad srautas rastų kelią iš branduolio į paviršių pietiniame pusrutulyje, kai kurie lokalūs lopai rodo, jog srautas „nusileidžia" atgal į branduolį. Tai reiškia, jog tam tikros branduolio ir plutos sąveikos grandys vietomis žlugdo ar perkeičią lauką, sukelia vietines inversijas arba sustiprina traukos zonas, kur magnetinis laukas yra itin mažas viršutinėse atmosferos dalyse.
Vienas iš galimų šių anomalijų kaltininkų yra Afrikos Didžioji Mažojo Nusileidimo-Veikimo Greičio Provincija (angl. Large Low-Shear-Velocity Province, LLSVP), didžiulė, karšta ir tanki struktūra šalia branduolio ir mantijos ribos po Afrika. Ši struktūra gali trikdyti išorinio branduolio konvekcinius srautus ir sukelti lokalizuotus magnetinio lauko pokyčius virš Žemės. Trumpai tariant, tai, ką Swarm mato kosmose, yra tarsi pirštų atspaudas dinamiškų procesų, vykstančių tūkstančius kilometrų po mūsų kojomis.
Geodinaminės modelių simuliacijos rodo, kad mantijos heterogeniškumas (tokie kaip LLSVP) gali keisti temperatūrinius ir tankio skirtumus, kurie moduliuoja sroves išorinėje branduolio dalyje. Tokie pakeitimai kartais sukelia laikinas struktūras magnetiniame lauke, kurios laike išsiplečia arba suligina ir vėl susiformuoja per dešimtmečius ar šimtmečius.
Be to, stebimos PAA perėjimo savybės — judėjimo kryptis, pagreitis ir stiprumo pokyčiai — leidžia mokslininkams atskirti, ar prielaidos dėl mantijos įtakos yra nuoseklios su laiko eilučių modeliais. Swarm duomenys suteikia galimybę susieti paviršines anomalijas su gilesnėmis mantijos ir branduolio savybėmis, todėl šios studijos yra svarbios ne tik praktiniam palydovų veiklos saugumui, bet ir baziniam mokslui apie planetos vidaus dinamika.
Kodėl tai svarbu: palydovai, navigacija ir radiacija
- Palydovai ir elektronika: Silpnesnis magnetinis laukas sumažina natūralinį apsauginį barjerą nuo įkrautų kosminių dalelių. Palydovai, pereidami PAA zona, gali patirti padidėjusius vienkartinius įvykių trikdžius (angl. single-event upsets, SEU), jutiklių triukšmą arba krūvių kaupimąsi, kurie gali paveikti elektroninę įrangą, atminties modulius ir duomenų srautą. Tokie reiškiniai dažnai reikalauja specialių konstrukcinių sprendimų ir programinių korekcijų, kad būtų sumažintas misijų sutrikimų rizika.
- Navigacijos sistemos: Kai kurios navigacijos technikos vis dar remiasi geomagnetiniais atskaitos taškais arba trigubos sistemos integracija, kur geomagnetinis laukas yra vienas iš kelių komponentų. Greiti arba nereguliarūs lauko pokyčiai gali apsunkinti kalibracijas, reikalauti dažnesnių modelių atnaujinimų ir sukelti netikslumus aviacijos bei jūrų navigacijai, jei duomenys nėra operatyviai koreguojami.
- Aviacija ir žmonių spindulinė ekspozicija: Astronautai ir aukštais aukščiais skrendantys įgulos nariai gauna daugiau jonizuojančios spinduliuotės, kai praskrenda per silpnesnio magnetizmo sritis. Nors padidėjusios dozės dažniausiai yra mažos kainos atžvilgiu vienos kelionės metu, jos tampa reikšmingos ilgo laikotarpio misijų planavime, kosminių misijų užtikrinime ir dažnai skrendančių įgulių sveikatos stebėjime.
Supratimas apie PAA todėl nėra vien tik akademinis susidomėjimas — tai praktinė problema palydovų operatoriams, aviacijos bendrovėms, kosmoso agentūroms ir navigacijos paslaugų tiekėjams. Anomalijos stebėjimas leidžia laiku pritaikyti technines specifikacijas, koreguoti operacines procedūras ir planuoti misijas taip, kad būtų sumažinta elektronikos gedimų ir spindulinės rizikos tikimybė.
Misijos detalės ir ateities perspektyvos
Swarm trijų palydovų misija buvo sukonstruota specialiai tam, kad išskirtų laiko ir erdvės kitimus geomagnetiniame lauke. Šie palydovai turi aukštos kokybės magnetometrus, orientavimo jutiklius (pvz., žvaigždžių sekimo kameras), bei papildomas priemones, stebinčias plazmos parametrus ir triukšmą, susijusį su jonosferos sąveikomis. Dėl koordinačių matavimų per laiko serijas mokslininkai gali atskirti trumpalaikes svyras (pvz., magnetosferos nepastovumus) nuo ilgalaikių secularinių pokyčių, tobulinti geodinamo modelius ir gerinti Žemės magnetinio lauko prognozavimo gebėjimus.
Anja Strømme, Swarm misijos vadovė ESA, pažymi: „Nuostabu stebėti mūsų dinamiškos Žemės platesnį vaizdą dėka Swarm ilgos laiko eilutės. Visi palydovai yra geri ir teikia puikius duomenis, todėl tikimės pratęsti šią įrašų seriją už 2030 metų ribų, kai saulės minimumas leis dar geriau ištirti planetos magnetinę aplinką." Strømme komentarai atspindi tiek misijos sveikatą, tiek poreikį ilgalaikių matavimų, kurie leidžia suprasti dešimtmečių laikmečius apimančius procesus.
Be Swarm, pažanga žemės stebėjimo tinkluose, kompiuteriniame modeliavime (didelių prietaisų spartos simuliacijos), bei laboratoriniuose eksperimentuose, tiriančiuose skysčių dinamiką ir magnetizmą, leis mokslininkams geriau testuoti hipotezes apie ryšius tarp gilių mantijos struktūrų, tokių kaip LLSVP, ir paviršinių magnetinių anomalijų. Šių disciplinų sankirta — geofizika, kosmoso mokslai, inžinerija ir aeronautika — yra būtina, kad būtų sukurti patikimi prognostiniai modeliai ir operacinės gairės.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Laura Mendes, kosminių fizikų srities specialistė, nedalyvavusi Swarm analizėje, pateikia platesnį kontekstą: „Įsivaizduokite branduolį kaip turbulentinį skysto metalo vandenyną. Lokalizuoti 'vortex'ai' ir didelio masto temperatūrinės anomalijos mantijoje gali nukreipti tą srautą taip, kad magnetinis laukas kistų per metus ar dešimtmečius. Tai, ką Swarm parodo, yra geodinamo 'oras' — ir kaip oras, jis gali būti greitas, regioninis ir netikėtas."
Jos praktinis patarimas technikams: „Palydovų inžinieriams ir misijų planuotojams žinia aiški — numatykite regioninę magnetinę kintamumą ir projektuokite sistemas bei operacijas, kurios galės toleruoti kartais padidėjusią įkrautų dalelių veiklą." Tai reiškia, kad reikia atsižvelgti į papildomas apsaugos priemones, programinius sprendimus, gedimų atkūrimo schemas ir operacinius planus, kurie apima PAA perėjimo scenarijus.
Kaip Swarm tęsia laiko įrašą, mokslininkai tikisi tikslinti prognozavimo modelius, kurie galėtų suteikti ankstyvesnes įspėjimo galimybes apie pokyčius, galinčius paveikti kosminę infrastruktūrą. Tokios sistemos leistų palydovų operatoriams ir aviacijos įmonėms geriau pasiruošti trumpalaikiams ir ilgalaikiams magnetinio lauko pokyčiams.
Kol kas Pietų Atlanto anomalija išlieka ryškus priminimas, kad Žemės vidus ir artimoji kosminė aplinka yra labai dinamiški ir tarpusavyje susiję. Investicijos į ilgalaikes stebėjimų programas, skaitmenines imitacijas ir tarpdalykinį bendradarbiavimą yra esminės, norint sumažinti PAA sukeltą riziką ir panaudoti gautą informaciją kurti tvaresnius palydovų ir navigacijos sprendimus.
Santraukoje, nors PAA pati savaime nėra nauja idėja, jos spartus plitimas, heterogeniškas pobūdis ir įrodytas poveikis techninei įrangai daro ją svarbiu objektu tiek fundamentiniams mokslams, tiek praktiniams veiklos sprendimams. Tolesni tyrimai, paremti Swarm ir toliau plėtojama stebėjimų infrastruktūra, padės supaprastinti rizikos valdymą, pagerinti navigacijos paslaugų patikimumą bei užtikrinti ilgalaikį kosminių misijų saugumą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą