美国宇航局跟踪地球磁场中缓慢分裂的“凹痕”——可能会给卫星带来大麻烦

地球磁场模型

这个立体可视化显示了地球磁场的一个简单模型。磁场在一定程度上保护了地球免受来自太阳的有害带电粒子的伤害。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

地球磁场的一个微小但不断变化的凹陷可能会给卫星带来巨大的麻烦。

地球的磁场就像地球周围的一个保护罩,排斥并捕获来自太阳的带电粒子。但在南美洲和南大西洋上空,一个异常的弱点——南大西洋异常,或SAA——允许这些粒子比正常情况下更接近地表。这一区域的粒子辐射会破坏机载计算机,干扰通过该区域的卫星的数据收集——这是一个关键原因美国国家航空航天局科学家们想要追踪和研究这种异常现象。

南大西洋异常也引起了美国国家航空航天局地球科学家的兴趣,他们监测那里的磁场强度的变化,这些变化是如何影响地球大气的,以及作为地球深处地球磁场正在发生什么变化的指标。

目前,SAA对地表的日常生活没有明显的影响。然而,最近的观测和预报显示,该地区正在向西扩张,强度继续减弱。它也在分裂——最近的数据显示,异常的谷,或最小磁场强度的区域,已经分裂成两个瓣,给卫星任务带来了额外的挑战。

美国国家航空航天局的地磁、地球物理学和太阳物理学研究小组的科学家们对SAA进行了观测和建模,以监测和预测未来的变化,并帮助为未来在太空中对卫星和人类的挑战做好准备。


地球的磁场就像地球周围的一个保护罩,排斥并捕获来自太阳的带电粒子。但在南美洲和南大西洋上空,一个异常的弱点——南大西洋异常,或SAA——允许这些粒子比正常情况下更接近地表。目前,SAA对地表的日常生活没有明显的影响。然而,最近的观测和预报显示,该地区正在向西扩张,强度继续减弱。南大西洋异常也引起了美国宇航局地球科学家的兴趣,他们监测那里的磁场强度的变化,既了解这种变化如何影响地球大气,也了解地球深处的地球磁场正在发生什么。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

重要的是里面的东西

南大西洋异常起源于地核的两个特征:地磁轴的倾斜和外核内熔融金属的流动。

地球有点像一块磁棒,南北两极代表相反的磁极,它们之间有看不见的磁力线环绕着地球。但与条形磁铁不同的是,地核磁场并不是完全对准地球的,也不是完全稳定的。这是因为磁场起源于地球的外核:熔化的、富含铁的、在地表以下1800英里的剧烈运动中。这些翻滚的金属就像一个巨大的发电机,被称为地球发电机,产生电流来产生磁场。

随着地核运动的变化,由于地核内部和与上面的固体地幔边界的复杂的地球动力学条件,磁场也在空间和时间上波动。核心中的这些动态过程向外波及到行星周围的磁场,产生了近地环境中的SAA和其他特征——包括随时间移动的磁极的倾斜和漂移。这一领域的这些演化,发生在与外核金属对流相似的时间尺度上,为科学家提供了新的线索,帮助他们解开驱动地球发电机的核动力学。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球物理学家特里·萨巴卡说:“磁场实际上是许多电流源磁场的叠加。”固体地球之外的区域也对观测到的磁场有贡献。然而,他说,大部分的磁场来自核心。

地核中的力量和地磁轴的倾斜共同产生了异常,即磁性较弱的区域,这使得被困在地球磁场中的带电粒子更接近地表。

环绕地球的范艾伦带

当太阳物质流撞击地球的磁气圈时,它会被困在环绕地球的两个甜甜圈形状的带中,这两个带被称为范艾伦带。磁带限制粒子沿着地球的磁力线运动,不断地在两极之间来回弹跳。图片来源:NASA Goddard / Tom Bridgman

太阳不断地排出粒子和磁场,即太阳风和巨大的热云团等离子体还有叫做日冕物质抛射的辐射。当这种太阳物质穿过太空并撞击地球的磁层(地球磁场所占据的空间)时,它会被困在地球周围的两个甜甜圈形状的带中,这两个带被称为范艾伦带。磁带限制粒子沿着地球的磁力线运动,不断地在两极之间来回弹跳。最内层的辐射带距离地球表面约400英里,使其粒子辐射与地球及其轨道卫星保持健康的距离。

然而,当来自太阳的特别强烈的粒子风暴到达地球时,范艾伦带会变得高度带电,磁场也会发生形变,从而使带电粒子穿透大气层。

戈达德大地测量与地球物理实验室的地球物理学家和数学家邝伟佳(Weijia Kuang)说:“观测到的SAA也可以解释为该地区偶极场主导地位减弱的结果。”“更具体地说,在SAA区域,一个极性相反的局域场变得强烈,从而使场强非常弱,比周围区域弱。”

太空中的坑洞

尽管南大西洋异常起源于地球内部的过程,但它的影响远不止于地球表面。该地区对穿越该地区的近地轨道卫星来说是危险的。如果一颗卫星被高能质子击中,它就会发生短路,并引起一种被称为单事件扰动(single event upset,简称SEU)的事件。这可能会导致卫星功能暂时出现故障,如果关键部件被击中,可能会造成永久性损坏。为了避免丢失仪器或整个卫星,运营商通常会在非必要部件通过SAA时关闭它们。事实上,美国国家航空航天局的电离层连接探测器定期穿越该地区,因此该任务一直密切关注SAA的位置。

国际空间站,在近地轨道,也通过SAA。它被保护得很好,宇航员在里面是安全的。然而,国际空间站还有其他乘客受到更高辐射水平的影响:全球生态系统动力学调查任务(简称GEDI)等仪器从国际空间站外部不同位置收集数据。该任务的副首席研究员和仪器科学家、戈达德的激光雷达仪器科学家布莱恩·布莱尔(Bryan Blair)说,SAA导致GEDI的探测器出现“光点”,并重置仪器的电源板,大约每个月一次。

太阳风地球磁气圈

太阳不断地喷出粒子和磁场,被称为太阳风,以及巨大的热等离子体和辐射云,被称为日冕物质抛射。这种太阳物质在太空中流动,撞击地球的磁层。磁层是由地球磁场所占据的空间,就像地球周围的防护罩。图片来源:NASA Goddard / Bailee DesRocher

布莱尔说:“这些事件不会对GEDI造成伤害。”“与激光发射的数量相比,探测器的光点很少见——大约100万次激光发射中有1次光点——而重置线事件会导致数小时的数据丢失,但它大约每个月才发生一次。”

除了测量SAA的磁场强度,美国宇航局的科学家还用太阳、异常和磁层粒子探测器(SAMPEX)研究了该区域的粒子辐射。SAMPEX是美国宇航局的第一个小型探测器任务,于1992年发射,一直观测到2012年。NASA太阳物理学家阿什利·格里利(Ashley Greeley)领导的一项研究在她的博士论文中使用了来自SAMPEX 20年的数据,表明SAA正在缓慢但稳定地向西北方向漂移。这些结果有助于确认由地磁测量建立的模型,并显示了SAA的位置如何随着地磁场的演变而变化。

“这些粒子与引导它们运动的磁场密切相关,”美国国家航空航天局戈达德日球物理实验室(Heliospheric Physics Laboratory)的研究员什里·卡纳卡尔(Shri Kanekal)说。“因此,任何关于粒子的知识也会给你关于地磁场的信息。”

格里利的研究结果发表在《空间天气》杂志上,它还能够提供卫星在经过南亚高原时所接收粒子辐射的类型和数量的清晰图像,这强调了在该地区进行持续监测的必要性。

格里利和她的合作者从SAMPEX的原位测量中获得的信息对卫星设计也很有用。低地球轨道卫星(简称LEO)的工程师们利用这些结果来设计系统,以防止发生闭锁事件而导致航天器故障或损失。

为卫星建立一个更安全的未来

为了了解SAA是如何变化的,并为未来对卫星和仪器的威胁做好准备,Sabaka、Kuang和他们的同事利用观测和物理学对地球磁场的全球模型作出贡献。

该研究小组利用欧洲航天局(European Space Agency)的群星座(Swarm constellation)、世界各地机构此前的任务以及地面测量的数据,评估了目前的磁场状态。萨巴卡的团队在将观测数据传递给匡的团队之前,将其梳理出来,以找出其来源。他们将Sabaka团队整理的数据与他们的核心动力学模型结合起来,预测未来地磁的长期变化(磁场的快速变化)。

戈达德行星地球动力学实验室的数学家安德鲁·唐伯恩说,地球发电机模型是独一无二的,它可以利用核心物理学来预测近期的未来。

他表示:“这与天气预报的产生方式类似,但我们的工作时间尺度要长得多。”“这是我们在戈达德所做的与大多数其他研究小组模拟地球磁场变化之间的根本区别。”

萨巴卡和匡贡献的一个应用就是国际地磁参考场(IGRF)。IGRF用于从地核到大气边界的各种研究,它是由世界各地的研究小组制作的候选模型的集合,用来描述地球磁场并跟踪它在时间上的变化。

萨巴卡说:“尽管SAA行动缓慢,但它的形态正在发生一些变化,所以我们通过持续的任务继续观察它也很重要。”“因为这有助于我们建立模型和预测。”

Kuang说,不断变化的SAA为研究人员提供了新的机会,以了解地球的核心,以及它的动力学如何影响地球系统的其他方面。通过跟踪磁场中这种缓慢演变的“凹痕”,研究人员可以更好地了解我们的星球正在发生的变化,并帮助为卫星更安全的未来做好准备。

1评论关于“美国宇航局跟踪地球磁场中缓慢分裂的“凹痕”——可能会给卫星带来大麻烦”

  1. 磁场消失了,我们就撑不到新年夜了。地球上的每一种植物都会在一个月内死于紫外线辐射。
    出于同样的原因,如果没有臭氧层,我们也活不了多久。
    太空对生命非常不利。恒星发出大量危险的辐射。宇宙中到处都是。因此,除非我们找到一种利用“暗能量”的方法,否则我们很可能会被困在这里。

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