Z poprzednich artykułów znamy z grubsza charakterystykę ziemskiego pola magnetycznego oraz mechanizm jego powstawania w płynnym jądrze obracającej się Ziemi, a.k.a samowzbudne dynamo. Ale skąd anomalia magnetyczna w Brazylii? I skąd właściwie to wiemy – czyli o badaniach satelitarnych pola magnetycznego.
W części pierwszej ustaliliśmy, co jest dookoła nas, na powierzchni, czyli inklinacja, deklinacja i anomalie natężenia. W drugiej zajrzeliśmy w głąb Ziemi, docierając do obracającego się płynnego jądra, w którym siła Coriolisa zwija rzeki żelaza w cewki. Teraz spojrzymy w drugą stronę – w przestrzeń kosmiczną wokół!
Nie tylko na powierzchni…
Ziemskie pole magnetyczne oczywiście nie ogranicza się do powierzchni Ziemi – występuje zarówno w jej wnętrzu, jak i daleko ponad powierzchnią planety. Jak daleko? To zależy w którą stronę spojrzymy – po stronie wystawionej do Słońca jest to około 6 do 10 promieni Ziemi (powiedzmy około 50 tysięcy kilometrów), ale z drugiej strony rozciąga się ogon długi na 100 promieni (czyli grubo ponad pół miliona kilometrów!). Dlaczego? Ponieważ od strony Słońca jesteśmy bombardowani przez wiatr słoneczny, czyli na magnetosferę napiera strumień naładowanych cząstek, głównie protonów, elektronów i cząstek alfa, rozpędzonych średnio do 450 kilometrów na sekundę(!).
Jeśli połączymy ten fakt z (w zgrubnym przybliżeniu) dipolowym kształtem ziemskiego pola magnetycznego (przekrzywiony magnes sztabkowy w środku), to otrzymujemy dynamiczną strukturę zmieniającą się wraz z pogodą kosmiczną:
Mimo odkształceń w topografii magnetosfery widoczne są struktury jak na obrazku poniżej:
Ponieważ na cząstkę naładowaną, będącą w ruchu w polu magnetycznym, działa siła Lorentza prostopadle do kierunku ruchu, to rzeczone protony i elektrony, uderzając w magnetosferę, są przez nią odchylane. Te, które trafią do „lejów polarnych” ściągane są w stronę biegunów i docierają do górnych warstw atmosfery. Oddając swoją energię w zderzeniach z atomami azotu i tlenu pobudzają powietrze do świecenia, dzięki czemu możemy zachwycać się zorzą polarną. Ale dla naszego śledztwa związanego z anomalią magnetyczną nad Brazylią ważniejsza jest inna struktura magnetosfery: pasy radiacyjne Van Allena.
Pasy Van Allena
James Alfred Van Allen był (zmarł w 2006 roku) amerykańskim fizykiem, który w latach 40. pracował nad budową rakiet, w tym wystrzeliwanych z balonów(!), które miały pomóc badać górne warstwy atmosfery i przestrzeń kosmiczną. Jego doświadczenie w budowie aparatury pracującej w takich warunkach sprawiło, że na pokładzie wystrzelonej w styczniu 1958 roku pierwszej amerykańskiej sondy kosmicznej Explorer I znalazła się jego aparatura przeznaczona do badania natężenia promieniowania kosmicznego – licznik Geigera-Mullera. W pewnym obszarze, od około 0,2 do 2 promieni Ziemi, wykryto znacznie zwiększone natężenie promieniowania! Wystrzelony w grudniu owego roku Pionieer 3 również odkrył podobny obszar zwiększonego promieniowania, w odleglejszym regionie 2-10 promieni Ziemi. Dziś te obszary nazywamy Pasami Van Allena. W 2012 roku NASA wystrzeliła parę satelitów „Van Allen Probes”, które pracowały do 2019 roku, aż skończyło im się paliwo.
Wiemy dziś, że w pasach radiacyjnych uwięzione są wysokoenergetyczne cząstki, spułapkowane przez pole magnetyczne. Niestety jeszcze nie jest jasne ich szczegółowe oddziaływanie z wiatrem słonecznym i zmianami w magnetosferze – wciąż rozwijany jest międzynarodowy program badania pogody kosmicznej, aby lepiej chronić satelity i astronautów, ponieważ przelot przez pasy może nawet uszkadzać elektronikę. Tak samo jak przelot nad Anomalią Południowoatlantycką – i tu wreszcie dochodzimy do rozwiązania zagadki.
Pasy Van Allena przyczyną Anomalii Południowoatlantyckiej?
Skąd ta anomalia? Wystarczy przypomnieć sobie, że oś obrotu Ziemi i oś magnetyczna (w zgrubnym przybliżeniu reprezentowana przez oś dipola, magnesu sztabkowego) nie pokrywają się, ale są przesunięte o około 10 stopni. W takim razie… pasy Van Allena, które są symetryczne względem równika geomagnetycznego nie będą równoodległe od Ziemi! Z tej strony, na którą „są przekoszone” będą koniuszkiem bardziej zahaczać Ziemię – okazuje się, że w tym właśnie rzecz, że obecny teren Brazylii i południa Atlantyku to obszar, w który wewnętrzny pas Van Allena znajduje się najbliżej powierzchni Ziemi:
Mamy zatem do czynienia ze skomplikowaną przestrzenną konstrukcją, na którą wpływają zarówno ruchy płynu we wnętrzu Ziemi i zmiany prędkości obrotu jądra, jak i pogoda kosmiczna w postaci wiatru słonecznego. Ale to też nie wszystko, bo okazuje się, że do ostatecznego kształtu ziemskiego pola magnetycznego dokładają się także prądy płynące w jonosferze oraz… przewodność oceanów.
To dobry moment, żeby spytać: a skąd właściwie to wiemy? Odpowiedź przyjdzie w artykule o magnetycznych pomiarach satelitarnych oraz o pomiarach paleomagnetycznych! Jako teaser – obrazek wygenerowany z danych z satelitów SWARM z pięknie widoczną anomalią południowoatlantycką.
Źródła:
Magnetosfera:
https://www.nasa.gov/magnetosphere
SAA/SAMA: