Een kleine maar evoluerende deuk in het magnetische veld van de aarde kan grote hoofdpijn veroorzaken voor satellieten.

Het magnetische veld van de aarde werkt als een beschermend schild rond de planeet, het afstoten en vangen van geladen deeltjes van de zon. Maar boven Zuid-Amerika en de zuidelijke Atlantische Oceaan, een ongewoon zwakke plek in het veld - de Zuid-Atlantische Anomalie genoemd, of SAA - zorgt ervoor dat deze deeltjes dichter bij het oppervlak duiken dan normaal. Deeltjesstraling in deze regio kan boordcomputers uitschakelen en interfereren met de gegevensverzameling van satellieten die er doorheen gaan - een belangrijke reden waarom NASA-wetenschappers de anomalie willen volgen en bestuderen.

De Zuid-Atlantische anomalie is ook interessant voor NASA's aardwetenschappers die de veranderingen in magnetische veldsterkte daar volgen, zowel voor hoe dergelijke veranderingen de atmosfeer van de aarde beïnvloeden en als een indicator van wat er gebeurt met de magnetische velden van de aarde, diep in de wereld.

Momenteel, de SAA heeft geen zichtbare gevolgen voor het dagelijks leven aan de oppervlakte. Echter, recente waarnemingen en voorspellingen tonen aan dat de regio zich westwaarts uitbreidt en in intensiteit blijft verzwakken. Het is ook aan het splitsen - recente gegevens tonen de vallei van de anomalie, of gebied met minimale veldsterkte, is in twee lobben gesplitst, het creëren van extra uitdagingen voor satellietmissies.

Een groot aantal NASA-wetenschappers in geomagnetische, geofysica, en heliofysica-onderzoeksgroepen observeren en modelleren de SAA, om toekomstige veranderingen te volgen en te voorspellen - en om ons voor te bereiden op toekomstige uitdagingen voor satellieten en mensen in de ruimte.

Het is wat erin zit dat telt

De Zuid-Atlantische anomalie komt voort uit twee kenmerken van de kern van de aarde:de kanteling van zijn magnetische as, en de stroom van gesmolten metalen in zijn buitenste kern.

De aarde lijkt een beetje op een staafmagneet, met noord- en zuidpolen die tegengestelde magnetische polariteiten vertegenwoordigen en onzichtbare magnetische veldlijnen die de planeet ertussen omringen. Maar in tegenstelling tot een staafmagneet, het kernmagneetveld is niet perfect uitgelijnd door de hele wereld, het is ook niet perfect stabiel. Dat komt omdat het veld afkomstig is uit de buitenste kern van de aarde:gesmolten, ijzerrijk en in krachtige beweging 1800 mijl onder het oppervlak. Deze karnende metalen werken als een enorme generator, genaamd de geodynamo, het creëren van elektrische stromen die het magnetische veld produceren.

Naarmate de kernbeweging in de loop van de tijd verandert, vanwege complexe geodynamische omstandigheden binnen de kern en op de grens met de vaste mantel erboven, het magnetische veld fluctueert ook in ruimte en tijd. Deze dynamische processen in de kern rimpelen naar buiten naar het magnetische veld rond de planeet, het genereren van de SAA en andere kenmerken in de omgeving van de aarde, inclusief de kanteling en drift van de magnetische polen, die in de loop van de tijd bewegen. Deze evoluties in het veld, die plaatsvinden op een vergelijkbare tijdschaal als de convectie van metalen in de buitenste kern, wetenschappers voorzien van nieuwe aanwijzingen om hen te helpen de kerndynamiek te ontrafelen die de geodynamo aandrijft.

"Het magnetische veld is eigenlijk een superpositie van velden van veel stroombronnen, " zei Terry Sabaka, een geofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Regio's buiten de vaste aarde dragen ook bij aan het waargenomen magnetische veld. Echter, hij zei, het grootste deel van het veld komt uit de kern.

De krachten in de kern en de kanteling van de magnetische as produceren samen de anomalie, het gebied met zwakker magnetisme - waardoor geladen deeltjes die in het magnetische veld van de aarde zijn gevangen, dichter bij het oppervlak kunnen duiken.

De zon stoot een constante uitstroom van deeltjes en magnetische velden uit die bekend staat als de zonnewind en enorme wolken van heet plasma en straling die coronale massa-ejecties worden genoemd. Wanneer dit zonnemateriaal door de ruimte stroomt en de magnetosfeer van de aarde raakt, de ruimte die wordt ingenomen door het magnetische veld van de aarde, het kan vast komen te zitten en vastgehouden worden in twee donutvormige gordels rond de planeet, de Van Allen-gordels. De riemen houden de deeltjes tegen om langs de magnetische veldlijnen van de aarde te reizen, voortdurend heen en weer stuiteren van paal naar paal. De binnenste gordel begint ongeveer 400 mijl van het aardoppervlak, die zijn deeltjesstraling op een gezonde afstand van de aarde en zijn satellieten houdt.

Echter, wanneer een bijzonder sterke storm van deeltjes van de zon de aarde bereikt, de Van Allen-riemen kunnen sterk worden bekrachtigd en het magnetische veld kan worden vervormd, waardoor de geladen deeltjes de atmosfeer kunnen binnendringen.

"De waargenomen SAA kan ook worden geïnterpreteerd als een gevolg van de verzwakking van de dominantie van het dipoolveld in de regio, " zei Weijia Kuang, een geofysicus en wiskundige in Goddard's Geodesy and Geophysics Laboratory. "Specifieker, een gelokaliseerd veld met omgekeerde polariteit groeit sterk in de SAA-regio, waardoor de veldintensiteit erg zwak wordt, zwakker dan die van de omliggende regio's."

Een kuil in de ruimte

Hoewel de Zuid-Atlantische anomalie voortkomt uit processen in de aarde, het heeft effecten die ver buiten het aardoppervlak reiken. Het gebied kan gevaarlijk zijn voor satellieten in een lage baan om de aarde die er doorheen reizen. Als een satelliet wordt geraakt door een hoogenergetisch proton, het kan kortsluiting veroorzaken en een gebeurtenis veroorzaken die enkelvoudige gebeurtenis overstuur of SEU wordt genoemd. Hierdoor kan de functie van de satelliet tijdelijk haperen of permanente schade veroorzaken als een belangrijk onderdeel wordt geraakt. Om te voorkomen dat instrumenten of een hele satelliet verloren gaan, operators sluiten gewoonlijk niet-essentiële componenten af ​​wanneer ze door de SAA gaan. Inderdaad, NASA's Ionospheric Connection Explorer reist regelmatig door de regio en daarom houdt de missie constant de positie van de SAA in de gaten.

Het internationale ruimtestation, die zich in een lage baan om de aarde bevindt, gaat ook door de SAA. Het is goed beschermd, en astronauten zijn binnen beschermd tegen schade. Echter, het ISS heeft andere passagiers die worden getroffen door de hogere stralingsniveaus:instrumenten zoals de Global Ecosystem Dynamics Investigation-missie, of GEDI, gegevens verzamelen van verschillende posities aan de buitenkant van het ISS. De SAA veroorzaakt "blips" op de GEDI-detectoren en reset de voedingskaarten van het instrument ongeveer een keer per maand, zei Bryan Blair, de plaatsvervangend hoofdonderzoeker en instrumentwetenschapper van de missie, en een lidar instrumentwetenschapper bij Goddard.

"Deze gebeurtenissen veroorzaken geen schade aan GEDI, "Blair zei. "De detectorflitsen zijn zeldzaam in vergelijking met het aantal laserschoten - ongeveer één op een miljoen schoten - en de resetlijn zorgt voor een paar uur aan gegevensverlies, maar het gebeurt slechts elke maand of zo."

Naast het meten van de magnetische veldsterkte van de SAA, NASA-wetenschappers hebben ook de deeltjesstraling in de regio bestudeerd met de Solar, abnormaal, en magnetosferische deeltjesverkenner, of SAMPEX - de eerste van NASA's Small Explorer-missies, gelanceerd in 1992 en observaties tot 2012. Eén studie, geleid door NASA-heliofysicus Ashley Greeley als onderdeel van haar proefschrift, gebruikte twee decennia aan gegevens van SAMPEX om aan te tonen dat de SAA langzaam maar gestaag in noordwestelijke richting afdrijft. De resultaten hielpen bij het bevestigen van modellen die waren gemaakt op basis van geomagnetische metingen en lieten zien hoe de locatie van de SAA verandert naarmate het aardmagnetische veld evolueert.

"Deze deeltjes zijn nauw verbonden met het magnetische veld, die hun bewegingen leidt, " zei Shri Kanekal, een onderzoeker in het Heliospheric Physics Laboratory bij NASA Goddard. "Daarom, elke kennis van deeltjes geeft je ook informatie over het aardmagnetische veld."

Greeley's resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Space Weather, waren ook in staat om een ​​duidelijk beeld te geven van het type en de hoeveelheid deeltjesstraling die satellieten ontvangen bij het passeren van de SAA, waarin de noodzaak van voortdurende monitoring in de regio werd benadrukt.

De informatie die Greeley en haar medewerkers hebben verzameld uit de in-situ metingen van SAMPEX is ook nuttig geweest voor het ontwerpen van satellieten. Ingenieurs voor de lage baan om de aarde, of LEEUW, satelliet gebruikte de resultaten om systemen te ontwerpen die zouden voorkomen dat een vergrendelingsgebeurtenis een storing of verlies van het ruimtevaartuig veroorzaakt.

Modelleren van een veiligere toekomst voor satellieten

Om te begrijpen hoe de SAA verandert en om ons voor te bereiden op toekomstige bedreigingen voor satellieten en instrumenten, Sabaka, Kuang en hun collega's gebruiken observaties en fysica om bij te dragen aan wereldwijde modellen van het magnetisch veld van de aarde.

Het team beoordeelt de huidige toestand van het magnetische veld met behulp van gegevens van de zwermconstellatie van de European Space Agency, eerdere missies van agentschappen over de hele wereld, en grondmetingen. Sabaka's team plaagt de waarnemingsgegevens om de bron te scheiden voordat ze deze doorgeeft aan het team van Kuang. Ze combineren de gesorteerde gegevens van Sabaka's team met hun kerndynamiekmodel om geomagnetische seculaire variatie (snelle veranderingen in het magnetische veld) in de toekomst te voorspellen.

De geodynamo-modellen zijn uniek in hun vermogen om kernfysica te gebruiken om voorspellingen voor de nabije toekomst te maken, zei Andrew Tangborn, een wiskundige in het Planetary Geodynamics Laboratory van Goddard.

"Dit is vergelijkbaar met hoe weersvoorspellingen worden geproduceerd, maar we werken met veel langere tijdschalen, " zei hij. "Dit is het fundamentele verschil tussen wat we doen bij Goddard en de meeste andere onderzoeksgroepen die veranderingen in het magnetische veld van de aarde modelleren."

Een van die toepassingen waaraan Sabaka en Kuang hebben bijgedragen, is het International Geomagnetisch Reference Field, of IGRF. Gebruikt voor een verscheidenheid aan onderzoek van de kern tot de grenzen van de atmosfeer, de IGRF is een verzameling kandidaat-modellen gemaakt door wereldwijde onderzoeksteams die het magnetisch veld van de aarde beschrijven en volgen hoe het in de tijd verandert.

"Ook al gaat de SAA langzaam, het ondergaat enige verandering in morfologie, dus het is ook belangrijk dat we het blijven observeren door doorlopende missies, "Zei Sabaka. "Omdat dat ons helpt om modellen en voorspellingen te doen."

De veranderende SAA biedt onderzoekers nieuwe mogelijkheden om de kern van de aarde te begrijpen, en hoe zijn dynamiek andere aspecten van het aardsysteem beïnvloedt, zei Kuang. Door deze langzaam evoluerende "deuk" in het magnetische veld te volgen, onderzoekers kunnen beter begrijpen hoe onze planeet verandert en helpen zich voor te bereiden op een veiligere toekomst voor satellieten.