8 Minutės
2024 m. gegužę Žemę ištiko viena stipriausių per kelis dešimtmečius fiksuotų geomagnetinių superaudrų. Japonijos palydovas Arase ir toliau veikiančios Žemės paviršiaus tinklų stebėjimo priemonės pateikė naujų duomenų, kaip planetos apsauginis plazmos apvalkalas — plazmosfera — susitraukė veikiamas itin didelio saulės spaudimo ir kodėl jos atstatymas užtruko dienomis, o ne valandomis. Šios tiesioginės matavimų serijos keičia mokslininkų supratimą apie kosminės oro sąlygų (space weather) poveikį palydovams, GPS signalams ir radijo ryšio sistemoms, taip pat skatina tobulinti pavojų vertinimo ir prognozavimo modelius.
Mokslininkai pirmą kartą išsamiai užfiksavo, kaip superaudra sutraukia Žemės plazmosferą, ir atskleidė, kodėl jos atsigavimas truko daugiau nei keturias paras — tai paveikė navigacijos ir ryšio sistemas.
Kas vyko Motinos dienos audros metu?
2024 m. gegužės 10–11 d. keli stiprūs saulės pliūpsniai sukėlė geomagnetinę superaudrą — stipriausią per daugiau nei 20 metų. Kai kuriuose šaltiniuose ši įvykio serija vadinama Gannon arba Motinos dienos audra. Į Žemės magnetosferą atsitrenkė intensyvus krūvinių dalelių ir magnetinės energijos srautas, kuris suspaudė plazmosferą — šaltą, tankų plazmos sluoksnį, kuris kartu su planeta sukasi bendru judesiu (co-rotation).
Tokios geomagnetinės superaudros yra retos — dažniausiai pasikartoja kas 20–25 metus — tačiau jų poveikis netoliese Žemės erdvei gali būti žymus ir ilgalaikis. Palydovų elektronika gali sugesti arba prarasti telemetriją, GPS padėties nustatymo tikslumas suprastėja, o ilgų bangų ir trumpųjų bangų radijo ryšys tampa nepatikimas. Šios audros metu poliarinės šviesos (auroros), paprastai matomos tik šiauriniuose ir pietiniuose poliuose, išsiplėtė iki vidutinio platumo regionų, tokių kaip Japonija, Meksika ir kai kurios Pietų Europos dalys, sukurdamos dramatiškus šviesos spektaklius naktiniame danguje toli nuo polių. Tokie reiškiniai yra svarbūs ne tik vizualiai, bet ir kaip indikatoriai, jog magnetosferos ir jonosferos procesai intensyviai persikūrė.
Arase palydovo tiesioginiai matavimai
Palydovas Arase (ERG), paleistas Japonijos kosmoso agentūros JAXA 2016 m., buvo įrengtas specialiais instrumentais, skirtas matuoti plazmos bangas, daleles ir magnetinius laukus plazmosferoje. Palydovas atsitiktinai atsidūrė palankioje orbitos pozicijoje gegužės 2024 m. audros metu, todėl galėjo pateikti nuoseklius, in situ (vietoje) matavimus tuo metu, kai plazmosfera buvo stipriai suspausta. Tokie tiesioginiai stebėjimai yra ypatingai vertingi, nes jie užfiksuoja lokalias ir greitai kintančias sąlygas, kurių globalūs toliškumo duomenys arba žemės paviršiaus stebėjimai negali tiksliai atvaizduoti.
Tipiškai plazmosfera išsitiesdavo iki maždaug 44 000 km virš Žemės paviršiaus. Arase matavimai parodė, kad jos išorinis ribas (plasmapauzė) susitraukė iki apytiksliai 9 600 km — tai yra maždaug penktadalis įprasto atstumo — per vos devynias valandas. Toks dramatiškas susitraukimas ir vėlesnis lėtas užpildymas iškrenta iš anksčiau priimto paveikslo ir suteikia aiškiausią iki šiol vaizdą, kaip ekstremali saulės veikla pertvarko plazminę aplinką, kuri saugo palydovus ir žemės sistemas nuo tiesioginio saulės poveikio.
Kaip mokslininkai susiejo palydovinius ir žemės duomenis
Tyrėjai sujungė Arase dalelių bei lauko matavimus su plataus tinklo žemės paviršiaus GPS imtuvų duomenimis, kad sektų jonosferos tankio pokyčius. Jonosfera — tai aukščiausia Žemės atmosferos dalis, gausi krūvinių dalelių (jonų ir elektronų), kuri tiekia plazmosferai jonus, kylantį nuo apatinių sluoksnių. Kai jonosfera praranda dalelių kiekį arba keičia savo cheminę sudėtį, plazmosfera gauna mažiau medžiagos, reikalingos atstatymui po magnetosferos sutrikimų. Stebėdami abu sluoksnius — plazmosferą ir jonosferą — mokslininkai galėjo ne tik užfiksuoti jos suspaudimą, bet ir išanalizuoti mechanizmus, kurie sulėtino jos atstatymą.
Retas mažo platumo raudonos auroros kadras, nufotografuotas Rikubetsu, Japonijoje, per 2024 m. gegužės super geomagnetinę audrą — stipriausią per daugiau nei du dešimtmečius. Ši audra sukėlė itin stiprų Žemės plazmosferos suspaudimą, dokumentuotą pirmą kartą tiesioginiais palydovų matavimais.
Kodėl atsigavimas truko daugiau nei keturias paras
Po pradinio plazmosferos „prispaudimo“ mokslininkai tikėjosi, kad ji užsipildys per parą ar dvi. Vietoje to, atstatymas užtruko daugiau nei keturias dienas — ilgiausiai užfiksuotą užsipildymo laiką nuo tada, kai Arase pradėjo sistemingą regiono stebėjimą 2017 m. Tyrėjų analizė nurodė pagrindinę priežastį — reiškinį, vadinamą „neigiamąja audra" (negative storm), kuris smarkiai sumažina jonosferos dalelių tankį didelėse zonose.
Neigiamosios audros mechanizmas susijęs su intensyviu viršutinės atmosferos įkaitinimu ir su tuo susijusiais cheminiais pakeitimais. Šiuo atveju poliarinis šilimas ir susiję procesai ilgainiui lėmė platų deguonies jonų (O+) koncentracijos kritimą jonosferoje. Deguonies jonai įprastai dalyvauja procesuose, kurie generuoja lengvesnius vandenilio jonus (H+), kylamąsias mases, kurios pakyla į plazmosferą ir papildo jos atsargas. Kai šių deguonies jonų tiekimas sutriko, plazmosferos papildymas sulėtėjo dramatiškai. Papildomai prisidėjo išaugę konvekciniai elektriniai laukai ir pagerėjusi dalelių pernaša iš magnetosferos į žemesnes L-sluoksnius, kurie užkertė kelią greitam plazmos „atsistatymui".
Ši seka — nuo stipraus magnetosferos susitraukimo iki poliarinio įkaitinimo ir jonosferos cheminės pertvarkos — suteikia mechanistinį paaiškinimą uždelstam atsigavimui ir sujungia procesus, kurie anksčiau buvo matomi tik fragmentiškai. Rezultatai rodo, kad būtina vertinti ne tik initialinį magnetosferos pažeidimą (pvz., Dst indekso svyravimus arba planetinius magnetometrijos rodiklius), bet ir vėlesnius atmosfere vykstančius cheminius pokyčius bei energijos perdavimo mechanizmus tarp sluoksnių.
Poveikis palydovams, navigacijai ir prognozėms
Daugiadienis plazmosferos sutrikimas turi realių ir dažnai rimtų praktinių pasekmių. Audros metu keletas palydovų pranešė apie elektros sistemų anomalijas arba prarastą telemetriją. GPS padėties nustatymo klaidos išaugo dėl didesnės jonosferos elektrinio sluoksnio netolygumo (TEC — total electron content) ir signalo skirtingumo, o trumpųjų bangų radijo ryšys patyrė sutrikimų dėl jonosferos refrakcijos bei sklaidos. Tokie pokyčiai ypač jautrūs aviacinėms navigacijos sistemoms, laivybos operacijoms, telekomunikacijų tinklams ir kitoms kritinėms infrastruktūroms, kurios priklauso nuo tikslaus laiko ir padėties duomenų.
Iš prognozių perspektyvos nauji tiesioginiai matavimai atskleidžia akląjį tašką: egzistuojantys operaciniai kosminės oro (space weather) modeliai dažnai numato pradinį sutrikimą, bet nepakankamai įvertina, kaip viršutinės atmosferos chemija ir energijos įterpimas gali sulėtinti atstatymą. Tam, kad būtų pagerinti perspėjimai ir rizikos mažinimo priemonės palydovų operatoriams ir paslaugų tiekėjams, būtina integruoti sujungtus procesus — magnetosferos, jonosferos ir termosferos cheminius-kinetinius modelius — į operacinius prognozavimo įrankius.
Ekspertų įžvalgos
„Tiesioginiai matavimai iš misijos, tokios kaip Arase, yra neįkainojami, nes jie užfiksuoja greitus ir lokalius pokyčius, kuriuos globalūs modeliai gali praleisti,“ teigia dr. Elena Morales, kosminės fizikos specialistė, nedalyvavusi analizėje. „Matyti, kad plazmosfera susitraukė žemiau 10 000 km ir po to ilgai kovėsi su atsigavimu, parodo, kiek glaudžiai sujungti yra šie procesai — nuo saulės pliūpsnių iki atmosferos chemijos. Tai nurodo, kur reikia sutelkti tiek stebėjimus, tiek modelių atnaujinimus.“
Dr. Atsuki Shinbori ir kolegos iš Nagoya universiteto pabrėžė, kad kritiškai svarbu buvo palydovinių ir žemės duomenų derinimas. Jų analizė, publikuota žurnale Earth, Planets and Space, suteikia tiek etaloninį įvykį, tiek naujas ribas modeliams, kurie bando simuliuoti ekstremalias kosminės oro sąlygas. Ši studija taip pat pabrėžia instrumentų įvairovės ir sinchronizuotų multivieta (multi-point) matavimų vertę, kuri leidžia atskirti regioninius ir globalius efektus.
Ateities kryptys: stebėjimas ir atsparumas
Ateities strategijos, siekiant sumažinti pažeidžiamumą, apima plazmosferos in situ stebėjimo priemonių išplėtimą, pasaulinių jonosferos jutiklių tinklų stiprinimą ir realaus laiko duomenų mainų gerinimą tarp kosminių agentūrų ir komercinių palydovų operatorių. Taip pat būtina tobulinti prognozavimo modelius, kurie apimtų energijos įterpimą į viršutinę atmosferą ir su tuo susijusius cheminius procesus, nes būtent šie procesai gali lemti, kaip greitai arba lėtai kosminė aplinka sugrįžta į įprastines sąlygas.
Techninės rekomendacijos apima: platesnį plazmosferos matuoklių spektrą palydovuose, integruotus magnetosferos–jonosferos–termosferos (M-I-T) simuliatorius, tiesioginį GEO ir LEO palydovų duomenų srautą operaciniams centrams, ir geresnį tarptautinį bendradarbiavimą dėl standartizuotų perspėjimų. Praktinėse srityse operatoriai turėtų įdiegti atsargines navigacijos strategijas, laikiną pakartotinį telemetrijos siuntimą, ir patikimas laiko sinchronizavimo priemones, kurios mažiau priklauso nuo vieno šaltinio, pvz., GNSS signalų, ypač audrų metu.
Plačiau žvelgiant, Motinos dienos audra viešumai buvo įspūdingas dangaus fenomenas; mokslui ir operatoriams ji priminė, kad reti saulės reiškiniai gali sukelti ilgai trunkančius, visos sistemos masto efektus. Kadangi saulės aktyvumas keičiasi pagal maždaug 11 metų ciklą, 2024 m. gegužės įvykiai suteikia svarbių pamokų — kaip stebėti, prognozuoti ir reagavimo planus, kurie bus reikalingi kitoms didelėms audroms ateityje. Šios išvados turėtų paskatinti papildomas investicijas į kosminės oro stebėjimo infrastruktūrą, modelių plėtrą ir tarptautinį duomenų mainą, kad sumažintume riziką palydovams, navigacijos sistemoms ir kritinei infrastruktūrai.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą