8 Minutės
Išsami ilgalaikė palydovinė stebėsena atskleidžia, kad silpnėjantis Žemės magnetinio skydelio ruožas virš Pietų Atlanto pastarąjį dešimtmetį išsiplėtė ženkliai. Nauji ESA Swarm misijos duomenų analizės rezultatai rodo, kad anomalija nuo 2014 m. išaugo plotu, siekiančiu beveik pusę žemyno Europoje, ir šį procesą skatina giliuose Žemės gelmėse vykstantys magnetiniai srautai ir dinaminiai pokyčiai.
Paslaptis: silpnėjanti sritis, kuri nuolat plečiasi
Pietų Atlanto anomalija (PAA), pirmą kartą užfiksuota XIX a. pietrytinėje Pietų Amerikos dalyje, yra zona, kurioje Žemės magnetinis laukas yra pastebimai silpnesnis nei daugelyje kitų planetos vietų. Remiantis 11 metų tiksliais matavimais iš ESA Swarm palydovų konstelacijos, mokslininkai užfiksavo nuoseklų šios silpnos zonos plėtimąsi 2014–2025 m. Intervale. Ypač reikšmingas PAA silpnėjimas pastebėtas nuo maždaug 2020 m. Atlanto vandenyne, pietvakariau nuo Afrikos, kas iš esmės padidino anomalijos plotą beveik iki pusės Europos dydžio.
Tokio masto pokyčiai nebūtinai yra staigus ar vienkartinis įvykis; jie atspindi giluminius dinaminius procesus, kurie perneša magnetinius laukus ir keičia jų erdvinį pasiskirstymą. Analizė apima lauko intensyvumo pokyčius, magnetinio lauko eroziją virš tam tikrų regionų ir pokyčių greitį per kelerius metus, kas svarbu prognozuojant tolesnę anomalijos evoliuciją.
Swarm yra ESA pirmoji specializuota magnetometrijos konstelacija, sukurta atskirti magnetinius signalus, kuriuos generuoja Žemės branduolys, mantija, pluta, vandenynai, ionosfera ir magnetosfera. Misijos trys identiški palydovai teikia nuolatinius, didelio skiriamojo gebos duomenų įrašus, leidžiančius atskirti atskirus signalų šaltinius ir aiškiai pamatyti, kaip mūsų planetos apsauginis magnetinis laukas kinta laike. Tokios nuoseklios stebėsenos reikšmė yra ypač didelė, nes leidžia atsekti tiek ilgalaikes tendencijas, tiek trumpalaikes svyravimų serijas, susijusias su saulės aktyvumu ar branduolio dinamika.
Swarm yra ESA pirmoji Žemės stebėjimo palydovų konstelacija, sukurta matuoti magnetinius signalus iš Žemės branduolio, mantijos, plutų, vandenynų, ionosferos ir magnetosferos; šie duomenys leidžia mokslininkams giliau tirti mūsų apsauginio magnetinio lauko sudėtingumą.
Kas vyksta branduolyje: atvirkštinių srautų lopai ir judėjimas į vakarus
Žemės magnetinis laukas kyla iš skysto geležies išorinio branduolio, esančio maždaug 3 000 kilometrų gylyje po paviršiumi. Konvekcija šioje elektrai laidžioje terpėje sukelia elektrinius srautus, kurie savo ruožtu generuoja geomagnetinį lauką. Tačiau branduolio viduje vykstantys srautai yra triukšmingi, turbulentiški ir kintantys, todėl jie sukuria sudėtingas, nuolat besikeičiančias raštines, o ne idealią dipolinę struktūrą kaip paprasto magneto atvejis.
Mokslininkai nepaprastą PAA elgseną sieja su vadinamaisiais atvirkštinių srautų lopais (reverse flux patches), esančiais tarp išorinio branduolio ir ant jo besikeičiančios uolinės mantijos ribos. Šiose vietose magnetinės lauko linijos, vietoje to, kad įprastai išeitų iš branduolio, linksta ir įsilenkia atgal į branduolį. Kaip nurodė pagrindinis straipsnio autorius profesorius Chris Finlay iš Danijos technikos universiteto, vienas iš šių atvirkštinių srautų lopų juda į vakarus per Afrikos regioną ir taip intensyvina lokalų silpnėjimą toje srityje. Tokia heterogeninė elgsena reiškia, kad anomalija nėra vientisas, vienodas darinys, o susideda iš keičiamų sektorių ir lopų, kurie vystosi skirtingais tempais Afrikos ir Pietų Amerikos kryptimis.
Be to, atvirkštinių srautų judėjimas ir stiprumo kitimas glaudžiai susiję su branduolio srautų reorganizacijomis, kurių priežastys gali būti tiek vidinės dinamika, tiek sąveika su mantijos laidumu ir struktūromis. Tokie procesai gali sukelti erdvinius poslinkius ir net laikinus lauko „užsitraukimus“, kurie atsispindi magnetometriniuose žemėlapiuose ir istorinėse geomagnetinėse įrašuose.
Pietų Atlanto anomalija 2025 m., palyginti su 2014 m.
Kodėl anomalija svarbi palydovams ir kosmoso operacijoms
Pietų Atlanto anomalija yra ne tik geofizikinis smalsumas: ji turi praktinių pasekmių kosminėms technologijoms. Palydovai, praskrendantys per anomalijos zoną, susiduria su didesniais energingų įkrautų dalelių srautais, įstrigusių Žemės magnetosferoje, taigi didėja radiacijos poveikis palydovo elektronikai ir jutikliams. Šie poveikiai gali pasireikšti kaip vienkartiniai įvykiai (single-event upsets), instrumentų našumo prastėjimas, laikiniai gedimai arba pagreitintas komponentų senėjimas.
Inžinieriams ir misijų planuotojams svarbu nuolat sekti PAA dydį, vietą ir intensyvumą, kad būtų galima įgyvendinti rizikos sumažinimo priemones žemo Žemės orbitos (LEO) kosminiams aparatais, įskaitant mokslines misijas, telekomunikacinius palydovus ir žmonių vežimui skirtas sistemas. Tokios priemonės apima elektronikos atsparumo radiacijai didinimą (radiation hardening), darbinių orbitų koregavimą, kad būtų sumažinta praleidžiamo laiko aukštos radiacijos zonose, bei atsarginius operacijų protokolus kritiniais atvejais.
Be palydovų saugumo, Žemės magnetinio lauko pokyčiai paveikia ir navigacijos sistemas, kurios remiasi magnetiniais modeliais, bei lemia, kaip poliarinės šviesos (auroros) ir radiacijos diržai reaguoja į kosminį orą. Swarm stebėjimai pabrėžia nuolatinės stebėsenos būtinybę, kad būtų atnaujinami operaciniai modeliai, naudojami aviacijoje, jūrų transporte ir geolokacijos paslaugose. Tai ypač svarbu lėktuvams ir laivams, kurie kartais naudoja magnetinę informaciją kaip papildomą navigacijos šaltinį.
Swarm misijos daugiau nei dešimtmečio įrašas: precedento neturinti tęstinė stebėsena
Swarm palydovai, paleisti 2013 m. lapkričio 22 d. kaip ESA Earth Explorer programos dalis, sukūrė ilgiausią iki šiol nuolatinį kosminį geomagnetinių matavimų įrašą. Iš pradžių sukurti kaip technologijos demonstratoriai, šie trys kosminiai aparatai gerokai pranoko numatytą eksploatavimo laiką ir tapo gyvybiškai svarbiais globaliems magnetiniams modeliams, kosminio oro stebėsenai ir branduolio dinamikos tyrimams.
Swarm duomenų rinkinys sudaro pagrindą operaciniams magnetinio lauko modeliams, naudojamiems navigacijoje, ir yra esminis atskirti signalus, kilusius iš branduolio, žemės plutų ir erdvinės aplinkos. Misijos duomenys integruojami į pasaulinius modelius, kurie reguliariai atnaujinami, kad atspindėtų tiek ilgalaikes tendencijas, tiek staigias geomagnetines svyravimų bangas. Anja Stromme, Swarm misijos vadovė ESA, pažymėjo, kad konstelacija yra sveika ir tikimasi pratęsti stebėjimus už 2030 m., kai artėjantis saulės minimumas leis atlikti ypač švarius ir aiškius branduolio lauko matavimus.
Ilgalaikiai Swarm duomenys taip pat suteikia galimybę koreliuoti satelitinius įrašus su žemės stotimis, labiau patikimomis geofizikinėmis nuorodomis ir istoriniais paleomagnetiniais įrašais, taip gerinant modelių patikimumą ir gebėjimą skirti trumpalaikes anomalijas nuo ilgalaikių procesų.
Magnetinių maksimumų poslinkiai: Sibirija plečiasi, o Kanada traukiasi
Swarm naujausios analizės rodo, kad magnetinis laukas ne tik silpnėja globaliai: kai kurios sritys priešingai — sustiprėjo. Šiauriniame pusrutulyje dvi stipraus lauko zonos egzistuoja aplink Kanadą ir Sibiriją; pietiniame pusrutulyje — stipresnė zona yra kai kuriose pietinėse platumose. Nuo Swarm paleidimo Sibiro stipraus lauko plotas padidėjo maždaug 0,42% Žemės paviršiaus ploto — tai yra augimas, kurio dydis panašus į Grenlandijos teritoriją, tuo tarpu Kanados stipraus lauko plotas sumažėjo apie 0,65% planetos paviršiaus, kas atitinka maždaug Indijos dydį.
Tokie persiskirstymai susiję su magnetinio šiaurinio poliaus dreifu link Sibiro ir yra varomi sudėtingų branduolio srautų dinamikos. Šis pusiausvyros pasikeitimas tarp aukšto lauko regionų keičia magnetinę deklinaciją (kampą tarp geografinių ir magnetinių šiaurės krypties) ir gali paveikti navigacijos sistemas, kurios vis dar remiasi magnetinėmis nuorodomis ar vietiniais laidų modeliais. Geodezinės, jūrų ir aviacijos taikymo sritys turi atsižvelgti į šiuos poslinkius, kad išlaikytų tikslumą ilgose maršruto atkarpose.
Ekspertės komentaras
Dr. Maya Patel, geofizikė, specializuojanti branduolio dinamikoje, pateikia įžvalgą apie nuolatinės stebėsenos prasmę: 'Branduolys yra chaotiškas variklis. Maži srautų modelių pasikeitimai per kelerius metus gali reorganizuoti magnetines ypatybes paviršiuje. Swarm ilga stebėjimo trukmė yra vienintelis būdas aptikti šias reorganizacijas realiu laiku ir integruoti jas į modelius, kuriuos naudoja pramonė ir mokslas. Be tokio tęstinio įrašo mums trūktų matomumo į subtilias didesnių lauko pertvarkymų pranašutes.'
Mokslinis kontekstas ir kas laukia toliau
Pastebėtas PAA išsiplėtimas pabrėžia sąveiką tarp skysčių judesių branduolyje ir magnetinio lauko, kurį matome paviršiuje ir netoli Žemės kosminėje erdvėje. Norint versti stebėjimus į prognozuojamą gebėjimą, mokslininkai sujungia palydovines registracijas su skaitmeniniais modeliais, imituojančiais branduolio srautus ir mantijos laidumą. Tęsiamos Swarm operacijos kartu su žemės observatorijomis ir artėjančiomis misijomis gerins mūsų supratimą apie reiškinius, tokius kaip geomagnetinės staigmenos (magnetic jerks), secular variacija ir ilgalaikės tendencijos, vedančios link lauko reversijų ar ekskursijų.
Praktiniai veiksmai kosmoso agentūroms ir palydovų operatoriams šiuo metu apima radiacijos ekspozicijos žemėlapių atnaujinimą, jautrių sistemų apsauginio lygio stiprinimą ir orbitų planavimo koregavimą, siekiant sumažinti buvimą aukštos radiacijos regionuose. Mokslininkams PAA tampa natūraliu bandymų poligonu, kur jie gali tirti branduolio dinamiką realiu laiku ir patikrinti skaitmeninius modelius, kurie sujungia giliuosius Žemės procesus su kosminio oro poveikiais.
Be to, ilgalaikė Swarm duomenų bazė leidžia kurti pažangesnes mašininio mokymosi ir statistines analizes, skirtas atskirti ilgalaikes tendencijas nuo sezoninių ar saulės ciklo sukeltų svyravimų, bei gerinti prietaisų kalibraciją. Tai didina mokslinės analizės patikimumą ir operacinių sprendimų tikslumą, kurie būtini tiek saugiai palydovinei infrastruktūrai, tiek kritinėms žemės paslaugoms.
Kadangi Swarm stebėjimų įrašas ilgėja, auga ir mūsų gebėjimas stebėti nematomą Žemės šarvą vystantis. Toks nuolatinis, detalus vaizdas yra būtinas ne tik fundamentaliam mokslui, bet ir praktiniam uždaviniui — apsaugoti palydovus, ryšio tinklus ir kitas paslaugas, nuo kurių priklauso šiuolaikinės visuomenės infrastruktūra ir saugumas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą