Czego w szkole Ci nie powiedzieli o ziemskim polu magnetycznym? (cz. 5: satelity SWARM oraz prądy w oceanie)

W piątym artykule cyklu o ziemskim polu magnetycznym zostawiam tytuł jak dla całej serii. W tym wypadku nie było jednak szansy, żeby ktoś z nas mógł w szkole usłyszeć o tej tematyce, ponieważ dopiero w 2016 roku obrobiono dane z kilkunastu lat misji satelitarnych mierzących ziemskie pole magnetyczne – w tym oceaniczne (!).

Na fizyce w liceum robi się takie zadania, że przewodnik porusza się w polu magnetycznym – a skoro zawarty w nim gaz elektronów swobodnych również się porusza, to w polu magnetycznym na te ładunki będzie oddziaływać siła Lorentza. Znając odpowiednie parametry, takie jak prędkość ruchu, oblicza się, jaki prąd popłynie przez przewodnik. Do dziś pamiętam zadanie ze zbioru zadań Kruczka, jak to metalowy, przewodzący tramwaj jedzie w ziemskim polu magnetycznym i pytanie: jakie jest natężenie zaindukowanego prądu płynącego przez oś pomiędzy szynami…

Gdy poruszasz się w polu magnetycznym…

Jednocześnie od 1820 roku, czasu przypadkowego odkrycia Ørsteda, wiemy, że przepływ prądu powoduje powstanie wokół przewodnika pola magnetycznego. Jeśli połączymy ze sobą te dwa fakty i zastanowimy się nad składem i ruchem ziemskich oceanów…

Gdy zobaczyłem tytuł artykułu z Science Advances z frazą „tidal magnetic signals”, otworzyłem szeroko oczy ze zdumienia i pomyślałem – dlaczego wcześniej na to nie wpadłem? Bo, jak to z jajkiem Kolumba było, zrobić coś po raz drugi to już nie odkrycie. Tok rozumowania naukowców z Instytutu Geofizyki na ETH w Zurychu, Departamentu Geologii Uniwersytetu w Colorado, Laboratorium Geodynamiki Planetarnej NASA oraz Narodowego Instytutu Kosmicznego w Danii, był mniej więcej następujący: oceany są zasolone – zatem woda oceaniczna przewodzi prąd.

W oceanach występują prądy morskie oraz pływy – zatem ten przewodnik porusza się. Oceany przenika ziemskie pole magnetyczne – zatem skoro mamy przewodnik poruszający się w polu magnetycznym, to przez oceany będzie z tego tytułu płynął prąd.

Jak mierzyć pole magnetyczne 250 km w głąb Ziemi?

Prąd płynący przez oceany wytworzy własne pole magnetyczne. To pole będzie wnikało do wnętrza Ziemi, oddziałując z nią w zależności od parametrów elektrycznych warstw w jej głębinach, jak przewodność elektryczna czy przepuszczalność elektryczna i magnetyczna. Zatem mierzenie z satelity rozkładu zmienności oceanicznego pola magnetycznego pochodzącego z pływów pozwoli nam wnioskować o własnościach elektrycznych struktur górnego płaszcza Ziemi – do 250 km w głąb! Kosmos. Szczególnie, że mierzone na wysokości 430 km nad Ziemią zmiany pola magnetycznego mają amplitudę 2,1 nT, podczas gdy maksymalna intensywność tego pola na tej wysokości to 54 000 nT.

Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał dane pochodzące z dwunastu lat obserwacji satelitarnych duńskiej misji Ørsted (1999 – planowana na rok, lata do dziś), niemieckiej CHAMP (2000-2010), argentyńsko-amerykańskiego SAC-C (2000-2013) oraz uzupełnienia tych obserwacji przez dane z konstelacji satelitów SWARM (2013 – planowane na cztery lata, już krążą nad naszymi głowami osiem).

Najważniejszy wniosek z badań: pierwsze 72 kilometry twardej litosfery ma dużo mniejszą przewodność niż położone głębiej płynne struktury astenosfery. Interesujące geologów i geofizyków szczegóły tego, co mamy pod nogami, znajdziecie w publicznie dostępnych artykułach zalinkowanych na koniec artykułu, a my wracamy do patrzenia w niebo.

Rój na orbicie

Historia satelitarnych pomiarów ziemskiego pola magnetycznego jest długa, żeby wspomnieć choćby pionierskiego MagSat z 1979 roku. I wciąż bardzo dynamicznie się rozwija, szczególnie w XXI wieku. Misja ESA o nazwie Cluster II, składająca się z czterech satelitów (Cluster projektowana była od 1982, wystrzelona w 1996 i swój żywot zakończyła podczas startu… stąd Cluster II), jest na orbicie od 2000 roku do dziś. Współpracująca z nią chińsko-europejska para satelitów Double Star działała w latach 2003-2007. Działający od 2015 roku do dziś MMS (Magnetospheric Multiscale Mission) wystrzelony był przez NASA.

Z kolei na  przyszły rok planowany jest start misji UŚMIECH (SMILE – Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer). Wspomnianym rojem jest misja SWARM, w ramach której trzy identyczne satelity krążą po niebie od 2013 do dziś, chociaż pierwotnie misja planowana była na cztery lata.

SWARM ma na pokładzie pięć instrumentów: VFM: Vector Field Magnetometer, czyli przyrząd wyznaczający kierunek i zwrot pola magnetycznego, ASM: Absolute Scalar Magnetometer, mierzący wartość tego pola, EFI: Electric Field Instrument, wykonujący pomiary elektryczne, do tego akcelerometr i laserowy odległościomierz. Akurat na tej misji się skupiam, ponieważ niejako jej wyniki są zwieńczeniem tej serii artykułów.

Satelity SWARM pokazują jak zmienia się ziemskie pole magnetyczne w czasie

Dzięki tej konstelacji mamy wiedzę nie tylko o rozkładzie ziemskiego pola magnetycznego, ale też o jego zmianach w czasie. Wiemy, że generalnie ziemskie pole magnetyczne słabnie, a biegun magnetyczny wędruje. Ale wiemy też, że ziemskie pole magnetyczne pulsuje w rytmie oddziaływań z wiatrem słonecznym, w rytmie prądów i burz szalejących w jonosferze, w rytmie oceanicznych przypływów i odpływów, a także w ślad za zmianami zachodzącymi głęboko we wnętrzu naszej planety.

Jednym z odkryć na bazie danych ze SWARM było wykrycie walcowatego „dżetu” płynnego żelaza o szerokości 420 kilometrów, wyrzucanego z jądra planety z coraz większą prędkością – obecnie to 40 kilometrów na rok. Prawdopodobnie częściowo odpowiada on za zmiany w rozkładzie ziemskiego pola magnetycznego. Innym odkryciem, z maja 2020 roku, jest fakt, że malejące natężenie magnetosfery na wysokości orbit satelitów może w przyszłości spowodować problemy z ich funkcjonowaniem.

Krótko mówiąc: pogoda kosmiczna dotyka nas coraz bardziej i potrzebujemy coraz więcej instrumentów, aby ją badać. I żeby spróbować zrozumieć skomplikowane oddziaływania tworzące ziemską magnetosferę, rozciągające się od wybuchów na Słońcu po procesy w jądrze Ziemi, przez szum morskich słonych fal na plaży…

Źródła:

[1] Satellite tidal magnetic signals constrain oceanic lithosphere-asthenosphere boundary, Grayver et al., Science Advances; vol 2 Issue 9, 30 September 2016, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1600798