NASA研究人员追踪地球磁场中缓慢分裂的研究凹痕

2022-01-14 20:12:00万厚聪导读地球磁场中一个小的但不断变化的凹痕可能会给卫星带来巨大的麻烦。地磁场就像行星周围的追踪中缓保护罩一样，排斥和捕获来自太阳的地球带电粒子。但是磁场

地球磁场中一个小的但不断变化的凹痕可能会给卫星带来巨大的麻烦。

地磁场就像行星周围的慢分保护罩一样，排斥和捕获来自太阳的凹痕带电粒子。但是研究在南美和南大西洋上空，该地区异常弱的追踪中缓一处叫做南大西洋异常(SAA)，使这些颗粒比正常情况下更靠近地面。地球该区域内的磁场粒子辐射可能会击落机载计算机，并干扰通过该计算机的慢分卫星数据收集，这是凹痕NASA科学家想要跟踪和研究异常现象的关键原因。

航空航天局(NASA)的研究地球科学家也对南大西洋异常感兴趣，他们监视那里的追踪中缓磁场强度变化，既研究这种变化如何影响地球大气，地球也可以指示地球深处地球磁场的变化。

目前，SAA对表面的日常生活没有任何可见的影响。但是，最近的观察和预测表明，该地区正在向西扩展，强度继续减弱。它也在分裂-最新数据显示异常的波谷或最小场强区域已分裂为两个波瓣，给卫星任务带来了更多挑战。

地磁，地球物理和日射物理学研究小组的许多NASA科学家观察并模拟了SAA，以监视和预测未来的变化，并帮助应对未来对太空中的卫星和人类的挑战。

内在才是最重要的

南大西洋异常是由地球核心的两个特征引起的：其磁轴的倾斜以及其外核心内的熔融金属流动。

地球有点像一块条形磁铁，北极和南极代表相反的磁极，看不见的磁力线环绕着它们之间的行星。但是，与条形磁铁不同的是，磁芯磁场无法通过球体完美对齐，也不是完全稳定。这是因为该场起源于地球的外核：熔融的，富含铁的物质，并且在地表以下1800英里处剧烈运动。这些搅动的金属就像一个巨大的发电机，称为土力发电机，产生产生磁场的电流。

随着岩心运动随时间变化，由于岩心内部以及上方地幔边界的复杂地球动力学条件，磁场也随时间和空间波动。核心中的这些动态过程向外波动到行星周围的磁场，从而在近地环境中产生了SAA和其他特征，包括随着时间推移而移动的磁极的倾斜和漂移。这些领域的演变发生在与外核中金属对流相似的时间尺度上，为科学家提供了新的线索，以帮助他们揭示驱动大地发电机的核心动力学。

“磁场实际上是来自许多当前来源的场的叠加，”位于马里兰州格林贝尔特的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。固体地球以外的区域也有助于观察到的磁场。但是，他说，该领域的大部分来自核心。

铁心中的力和磁轴的倾斜共同产生异常现象，即磁场强度较弱的区域，从而使困在地球磁场中的带电粒子更靠近表面。

太阳会不断排出粒子和磁场，称为太阳风，并排出大量热等离子体和辐射云，称为日冕物质抛射。当这种太阳能物质流过太空并撞击地球的磁层时，地球磁层即被地球磁场所占据的空间，它会被困在行星周围的两个甜甜圈形带中，称为范艾伦带。传送带限制了粒子沿着地球的磁力线传播，并不断地在两极之间来回跳动。最内层的传送带开始于距地球表面约400英里处，这使其粒子辐射与地球及其轨道卫星保持健康距离。

但是，当来自太阳的特别强的粒子风暴到达地球时，范艾伦带会变得高能且磁场会变形，从而使带电粒子渗透到大气中。

戈达德大地测量与地球物理实验室的地球物理学家兼数学家魏家匡说：“观察到的SAA也可以解释为该地区偶极子场的主导地位减弱的结果。” “更具体地说，极性相反的局域电场在SAA区域中强烈生长，因此使电场强度非常弱，比周围区域弱。”

太空坑洼

尽管南大西洋异常是由地球内部的过程引起的，但其影响远远超出了地球表面。该区域可能会对穿过该区域的低地球轨道卫星造成危险。如果卫星被高能质子击中，它可能会短路并引起称为单事件翻转或SEU的事件。这可能会导致卫星功能暂时出现毛刺，或者如果敲击关键组件会造成永久性损坏。为了避免丢失仪器或整个卫星，运营商通常会在通过SAA时关闭非必要组件。实际上，NASA的“电离层连接浏览器”会定期穿越该地区，因此该任务会持续关注SAA的位置。

处于低地球轨道的国际空间站也经过了SAA。它得到了很好的保护，宇航员在车内时不受伤害。但是，国际空间站还有其他乘客受到更高辐射水平的影响：诸如全球生态系统动力学调查团或GEDI之类的仪器从国际空间站外部的各个位置收集数据。航天局副首席研究员兼仪器科学家，戈达德市的激光雷达仪器科学家布莱恩·布莱尔说，SAA会在GEDI的探测器上产生“斑点”，并每月大约重置仪器的电源板一次。

布莱尔说：“这些事件不会对GEDI造成损害。” “与激光发射的次数相比，检测器的闪烁现象很少见(百万次射击中只有一个闪烁现象)，并且重置线路事件会导致数小时的数据丢失，但这种情况每月一次左右发生。”

除了测量SAA的磁场强度外，NASA的科学家还使用太阳，反常和磁层探测器或SAMPEX研究了该地区的粒子辐射，这是NASA于1992年发起的第一个Small Explorer任务，直到2012年。由NASA物理学家Ashley Greeley领导的一项研究作为其博士论文的一部分，使用了来自SAMPEX的两十年的数据来表明SAA正在缓慢但稳定地向西北方向漂移。结果有助于确认通过地磁测量创建的模型，并显示了SAA的位置如何随着地磁场的变化而变化。

宇航局戈达德大学日球物理实验室的研究员Shri Kanekal说：“这些粒子与引导其运动的磁场紧密相关。” “因此，任何有关粒子的知识也会为您提供有关地磁场的信息。”

格里利的研究结果发表在《太空天气》杂志上，也清楚地显示了通过SAA时接收到的粒子辐射卫星的类型和数量，这强调了对该地区进行持续监测的必要性。

从SAMPEX的现场测量中获得的Greeley及其合作者的信息对于卫星设计也很有用。低地球轨道(LEO)卫星的工程师使用该结果设计了可以防止闩锁事件引起航天器故障或损失的系统。

为卫星的安全未来建模

为了了解SAA的变化方式并为将来对卫星和仪器的威胁做准备，Sabaka，Kuang及其同事使用观测和物理学方法为地球磁场的全球模型做出了贡献。

该团队使用来自欧洲航天局“群”星座的数据，来自世界各地的机构先前的任务以及地面测量来评估磁场的当前状态。萨巴卡(Sabaka)的团队在将数据传递给匡(Kuang)的团队之前，先将观测数据分开以分离出其来源。他们将来自Sabaka团队的分类数据与核心动力学模型相结合，以预测未来的地磁长期变化(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(Andrew Tangborn)说，地球动力学模型在利用核心物理学产生近乎未来的预报方面具有独特的能力。

他说：“这与天气预报的产生方式相似，但我们的工作时间更长。” “这是我们在戈达德所做的工作与对地球磁场变化进行建模的大多数其他研究小组之间的根本区别。”

萨巴卡(Sabaka)和匡(Kuang)做出的贡献之一就是国际地磁参考场(IGRF)。IGRF用于从核心到大气边界的各种研究，它是由全球研究团队制作的候选模型的集合，这些模型描述了地球的磁场并跟踪其时间变化。

萨巴卡说：“尽管SAA行动缓慢，但它的形态正在发生一些变化，因此，我们还要通过继续执行任务来不断观察它，这一点也很重要。” “因为那是帮助我们进行模型和预测的原因。”

匡说，不断变化的SAA为研究人员提供了了解地球核心以及其动力学如何影响地球系统其他方面的新机会。通过跟踪磁场中这种缓慢发展的“凹痕”，研究人员可以更好地了解我们星球的变化方式，并为卫星的更安全未来做好准备。