Una piccola ma in evoluzione nel campo magnetico terrestre può causare grossi grattacapi ai satelliti.

Il campo magnetico terrestre agisce come uno scudo protettivo intorno al pianeta, respingere e intrappolare particelle cariche dal Sole. Ma sul Sud America e sull'Oceano Atlantico meridionale, un punto insolitamente debole nel campo, chiamato Anomalia del Sud Atlantico, o SAA:consente a queste particelle di immergersi più vicino del normale alla superficie. Le radiazioni delle particelle in questa regione possono mettere fuori uso i computer di bordo e interferire con la raccolta dei dati dei satelliti che la attraversano, una delle ragioni principali per cui gli scienziati della NASA vogliono tracciare e studiare l'anomalia.

L'Anomalia del Sud Atlantico è anche di interesse per gli scienziati della Terra della NASA che monitorano i cambiamenti nell'intensità del campo magnetico lì, sia per come tali cambiamenti influenzano l'atmosfera terrestre sia come indicatore di ciò che sta accadendo ai campi magnetici della Terra, nel profondo del globo.

Attualmente, il SAA non crea impatti visibili sulla vita quotidiana in superficie. Però, recenti osservazioni e previsioni mostrano che la regione si sta espandendo verso ovest e continua a diminuire di intensità. Si sta anche dividendo:i dati recenti mostrano la valle dell'anomalia, o regione di intensità di campo minima, si è diviso in due lobi, creando ulteriori sfide per le missioni satellitari.

Una schiera di scienziati della NASA in campo geomagnetico, geofisica, e gruppi di ricerca eliofisica osservano e modellano la SAA, per monitorare e prevedere i cambiamenti futuri e aiutare a prepararsi alle sfide future per i satelliti e gli esseri umani nello spazio.

È quello che c'è dentro che conta

L'anomalia del Sud Atlantico deriva da due caratteristiche del nucleo terrestre:l'inclinazione del suo asse magnetico, e il flusso di metalli fusi all'interno del suo nucleo esterno.

La Terra è un po' come una barra magnetica, con i poli nord e sud che rappresentano polarità magnetiche opposte e linee di campo magnetico invisibili che circondano il pianeta tra di loro. Ma a differenza di un magnete a barra, il campo magnetico del nucleo non è perfettamente allineato attraverso il globo, né è perfettamente stabile. Questo perché il campo ha origine dal nucleo esterno della Terra:fuso, ricco di ferro e in movimento vigoroso 1800 miglia sotto la superficie. Questi metalli agitati agiscono come un enorme generatore, chiamato la geodinamo, creando correnti elettriche che producono il campo magnetico.

Poiché il movimento centrale cambia nel tempo, a causa di complesse condizioni geodinamiche all'interno del nucleo e al confine con il mantello solido in alto, il campo magnetico fluttua anche nello spazio e nel tempo. Questi processi dinamici nel nucleo si propagano verso l'esterno verso il campo magnetico che circonda il pianeta, generando il SAA e altre caratteristiche nell'ambiente vicino alla Terra, tra cui l'inclinazione e la deriva dei poli magnetici, che si muovono nel tempo. Queste evoluzioni sul campo, che avvengono su una scala temporale simile alla convezione dei metalli nel nucleo esterno, fornire agli scienziati nuovi indizi per aiutarli a svelare le dinamiche fondamentali che guidano la geodinamo.

"Il campo magnetico è in realtà una sovrapposizione di campi provenienti da molte sorgenti di corrente, "ha detto Terry Sabaka, un geofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. Anche le regioni al di fuori della Terra solida contribuiscono al campo magnetico osservato. Però, Egli ha detto, la maggior parte del campo viene dal nucleo.

Le forze nel nucleo e l'inclinazione dell'asse magnetico insieme producono l'anomalia, l'area del magnetismo più debole, consentendo alle particelle cariche intrappolate nel campo magnetico terrestre di avvicinarsi alla superficie.

Il Sole espelle un flusso costante di particelle e campi magnetici noto come vento solare e vaste nubi di plasma caldo e radiazioni chiamate espulsioni di massa coronale. Quando questo materiale solare scorre attraverso lo spazio e colpisce la magnetosfera terrestre, lo spazio occupato dal campo magnetico terrestre, può rimanere intrappolato e trattenuto in due cinture a forma di ciambella intorno al pianeta chiamate cinture di Van Allen. Le cinture impediscono alle particelle di viaggiare lungo le linee del campo magnetico terrestre, rimbalzando continuamente avanti e indietro da un polo all'altro. La fascia più interna inizia a circa 400 miglia dalla superficie della Terra, che mantiene la sua radiazione particellare a una distanza salutare dalla Terra e dai suoi satelliti orbitanti.

Però, quando una tempesta particolarmente forte di particelle provenienti dal Sole raggiunge la Terra, le cinghie di Van Allen possono diventare altamente energizzate e il campo magnetico può essere deformato, permettendo alle particelle cariche di penetrare nell'atmosfera.

"La SAA osservata può essere interpretata anche come una conseguenza dell'indebolimento della dominanza del campo dipolare nella regione, " disse Weijia Kuang, un geofisico e matematico nel Laboratorio di Geodesia e Geofisica di Goddard. "Più specificamente, un campo localizzato con polarità invertita cresce fortemente nella regione SAA, rendendo così l'intensità del campo molto debole, più debole di quello delle regioni circostanti».

Una buca nello spazio

Sebbene l'Anomalia del Sud Atlantico derivi da processi all'interno della Terra, ha effetti che vanno ben oltre la superficie terrestre. La regione può essere pericolosa per i satelliti in orbita terrestre bassa che la attraversano. Se un satellite viene colpito da un protone ad alta energia, può andare in corto circuito e causare un evento chiamato single event sconvolto o SEU. Ciò può causare un malfunzionamento temporaneo della funzione del satellite o causare danni permanenti se viene colpito un componente chiave. Per evitare di perdere strumenti o un intero satellite, gli operatori di solito spengono i componenti non essenziali mentre passano attraverso la SAA. Infatti, Lo Ionospheric Connection Explorer della NASA viaggia regolarmente attraverso la regione e quindi la missione tiene costantemente sotto controllo la posizione del SAA.

La Stazione Spaziale Internazionale, che si trova nell'orbita terrestre bassa, passa anche attraverso la SAA. è ben protetto, e gli astronauti sono al sicuro mentre sono all'interno. Però, la ISS ha altri passeggeri colpiti dai livelli di radiazioni più elevati:strumenti come la missione Global Ecosystem Dynamics Investigation, o GEDI, raccogliere dati da varie posizioni all'esterno dell'ISS. Il SAA provoca "blip" sui rilevatori di GEDI e ripristina le schede di alimentazione dello strumento circa una volta al mese, disse Bryan Blair, il vice investigatore principale della missione e scienziato degli strumenti, e uno scienziato di strumenti lidar a Goddard.

"Questi eventi non causano danni a GEDI, " ha detto Blair. "I segnali acustici del rilevatore sono rari rispetto al numero di colpi laser - circa un segnale acustico su un milione di colpi - e l'evento di ripristino della linea causa un paio d'ore di dati persi, ma succede solo ogni mese o giù di lì."

Oltre a misurare l'intensità del campo magnetico della SAA, Gli scienziati della NASA hanno anche studiato la radiazione delle particelle nella regione con il Solar, Anomalo, e Esploratore di particelle magnetosferiche, o SAMPEX, la prima delle missioni Small Explorer della NASA, lanciato nel 1992 e che fornisce osservazioni fino al 2012. Uno studio, guidato dall'eliofisico della NASA Ashley Greeley come parte della sua tesi di dottorato, ha utilizzato due decenni di dati di SAMPEX per dimostrare che il SAA si sta lentamente ma costantemente spostando verso nord-ovest. I risultati hanno aiutato a confermare i modelli creati dalle misurazioni geomagnetiche e hanno mostrato come la posizione del SAA cambia con l'evoluzione del campo geomagnetico.

"Queste particelle sono intimamente associate al campo magnetico, che guida i loro movimenti, " disse Shri Kanekal, un ricercatore nel Laboratorio di Fisica Eliosferica della NASA Goddard. "Perciò, qualsiasi conoscenza delle particelle fornisce anche informazioni sul campo geomagnetico."

I risultati di Greeley, pubblicato sulla rivista Space Weather, sono stati anche in grado di fornire un quadro chiaro del tipo e della quantità di radiazioni di particelle che i satelliti ricevono quando passano attraverso il SAA, che ha sottolineato la necessità di un monitoraggio continuo nella regione.

Le informazioni che Greeley ei suoi collaboratori hanno raccolto dalle misurazioni in situ di SAMPEX sono state utili anche per la progettazione dei satelliti. Ingegneri per l'orbita terrestre bassa, o LEONE, il satellite ha utilizzato i risultati per progettare sistemi che impedissero a un evento di latch-up di causare guasti o perdite del veicolo spaziale.

Modellare un futuro più sicuro per i satelliti

Per comprendere come sta cambiando l'ASA e prepararsi alle future minacce ai satelliti e agli strumenti, Sabaka, Kuang e i loro colleghi utilizzano le osservazioni e la fisica per contribuire ai modelli globali del campo magnetico terrestre.

Il team valuta lo stato attuale del campo magnetico utilizzando i dati della costellazione dello sciame dell'Agenzia spaziale europea, precedenti missioni di agenzie di tutto il mondo, e misurazioni del terreno. Il team di Sabaka separa i dati osservativi per separare la loro fonte prima di passarli al team di Kuang. Combinano i dati ordinati dal team di Sabaka con il loro modello di dinamica di base per prevedere la variazione secolare geomagnetica (rapidi cambiamenti nel campo magnetico) nel futuro.

I modelli geodynamo sono unici nella loro capacità di utilizzare la fisica di base per creare previsioni per il prossimo futuro, disse Andrew Tangborn, un matematico nel Laboratorio di Geodinamica Planetaria di Goddard.

"Questo è simile a come vengono prodotte le previsioni del tempo, ma stiamo lavorando con tempistiche molto più lunghe, " ha detto. "Questa è la differenza fondamentale tra ciò che facciamo a Goddard e la maggior parte degli altri gruppi di ricerca che modellano i cambiamenti nel campo magnetico terrestre".

Una di queste applicazioni a cui hanno contribuito Sabaka e Kuang è il campo di riferimento geomagnetico internazionale, o IGRF. Utilizzato per una varietà di ricerche dal nucleo ai confini dell'atmosfera, l'IGRF è una raccolta di modelli candidati realizzati da team di ricerca di tutto il mondo che descrivono il campo magnetico terrestre e tracciano come cambia nel tempo.

"Anche se il SAA è lento, sta attraversando qualche cambiamento nella morfologia, quindi è anche importante che continuiamo ad osservarlo continuando le missioni, " Ha detto Sabaka. "Perché è questo che ci aiuta a fare modelli e previsioni".

Il cambiamento dell'ASA offre ai ricercatori nuove opportunità per comprendere il nucleo della Terra, e come le sue dinamiche influenzano altri aspetti del sistema Terra, disse Kuang. Seguendo questa "ammaccatura" in lenta evoluzione nel campo magnetico, i ricercatori possono comprendere meglio il modo in cui il nostro pianeta sta cambiando e aiutare a prepararsi per un futuro più sicuro per i satelliti.