Pole magnetyczne pod lupą misji Swarm

Chociaż starożytni Chińczycy wymyślili kompas i jesteśmy świadomi działania pola magnetycznego naszej planety już od około 2000 lat, to nasze zrozumienie, w jaki sposób utrzymuje się ono od miliardów lat oraz dlaczego się zmienia, jest wciąż ograniczone.

Mówiąc najprościej, pole magnetyczne Ziemi zachowuje się tak, jakby w środku planety znajdował się potężny magnes, pochylony pod kątem 11° w stosunku do jej osi obrotu.

Oczywiście procesy, które tworzą to pole są znacznie bardziej złożone. Uważa się, że pole magnetyczne jest wytwarzane w znacznej części przez ocean super gorącego, wirującego żelaza. Tworzy ono zewnętrzną część jądra, znajdującą się około 3000 km pod naszymi stopami. Działa on jak obracający się przetwornik w dynamie rowerowym, który generuje prądy elektryczne, a więc ciągle zmieniające się pole elektromagnetyczne.

Innymi źródłami magnetyzmu naszej planety są minerały znajdujące się w płaszczu skorupy ziemskiej, a jonosfera i magnetosfera również odgrywają swoją rolę. Słona woda jest przewodnikiem, a zatem i oceany mają również swój niewielki wkład w tworzenie pola magnetycznego.

Obecnie istnieją obawy, że siła, która chroni naszą planetę słabnie, i może dojść wkrótce do odwrócenia biegunowości. W ciągu ostatnich 150 lat nasze pole magnetyczne straciło około 15% swojej siły.

Przykładowo anomalia południowoatlantycka to obszar, na którym pole magnetyczne jest szczególnie słabe. W rzeczywistości pole magnetyczne w tym obszarze jest o połowę słabsze niż na terenie Europy. Na tym właśnie obszarze wewnętrzny pas Van Allena przebiega najbliżej powierzchni Ziemi. Znajdujące się tam protony, które tworzą silne promieniowanie, mają niekorzystny wpływ na sztuczne satelity oraz inne statki kosmiczne krążące wokół Ziemi. Jest to problematyczny aspekt dla satelitów krążących nad Ziemią – najwięcej błędów technicznych zdarza się właśnie wtedy, kiedy przelatują przez ten region.

Różnica w lokalizacji pomiędzy biegunem magnetycznym, a biegunem geograficznym nazywana jest deklinacją magnetyczną. Odchylenie to staje się nie tylko coraz większe, ale wzrasta w coraz szybszym tempie. Przed rokiem 1994 szacowano, że północny biegun magnetyczny poruszał się około 10 km rocznie, jednak od roku 2001 jego tempo wzrosło do 65 km rocznie.

Credit: ESA/ATG medialab

Pole ochronne naszej planety to bardzo ważny i ciekawy temat. Nic dziwnego, że Europejska Agencja Kosmiczna opracowała nowy projekt, dzięki któremu zdobywamy dane i wiedzę związane z tym zagadnieniem. Misja wystartowała 22 listopada 2013 roku. Rakieta, która wyniosła satelity na orbitę, wystrzelona została z Kosmodromu Plesieck w Rosji. Czy dzięki niej rozszyfrujemy jeden z najbardziej zagadkowych aspektów naszej planety? Zobaczymy w kolejnych latach.

W czerwcu 2014 roku, zaledwie po 6 miesiącach pozyskiwania danych, Swarm potwierdziła ogólną tendencję słabnięcia pola magnetycznego, zwłaszcza na półkuli zachodniej. Jednakże są na Ziemi miejsca, gdzie pole magnetyczne się wzmocniło, jak na przykład południowa część Oceanu Indyjskiego.

* * *

Do realizacji misji wykorzystano kanadyjskie i europejskie technologie. Swarm to 3 identyczne satelity, posiadające raczej nietypowy wygląd – są one trapezoidalne z długimi wysięgnikami, które zostały wysunięte po wejściu na orbitę.

Projekt satelitów jest rezultatem długich prac pełnych wyzwań związanych z koniecznością umieszczenia określonych i wyspecjalizowanych instrumentów. Dodatkowo misja została wystrzelona na jednej rakiecie, więc projekt musiał być kompaktowy. Każda satelita ma 9 metrów długości (wraz z wysięgnikiem). Opracowaniem projektu zajęła się ESA wraz z przemysłowym konsorcjum prowadzonym przez EADS Astrium GmbH (obecnie Airbus Defence & Space).

Oprócz wspomnianego wysięgnika satelita nie posiada żadnych ruchomych części. Zabieg ten gwarantuje, że żadne wibracje nie wpłyną na pomiary dokonywane przez urządzenia jak akcelerometr (przyrząd do pomiaru przyspieszeń liniowych lub kątowych), który umieszczony jest w środkowej części satelity. Nawet panele słoneczne są umiejscowione “na sztywno” tworząc osobliwy dach satelity.

Czystość magnetyczna ma ogromne znaczenie dla misji, stąd czułe instrumenty, jak skalarne magnetometry, są umieszczone na końcu wysięgnika. Pozwala to na utrzymanie ich możliwie daleko od zakłóceń pochodzących z elektrycznych elementów umieszczonych na głównym korpusie satelity.

Credit: ESA/M. Shafiq

Misja Swarm to również nowa generacja czujników. Satelity posiadają całą gamę wszechstronnych instrumentów, które dostarczają niezwykle dokładnych danych i pomagają nam lepiej rozumieć pole magnetyczne Ziemi.

Magnetometr wektorowy

Jest to główny instrument misji. Dostarcza bardzo precyzyjnych pomiarów wielkości i kierunku pola magnetycznego. Dzięki tym danym możemy m.in. ustalić układ odniesienia, względem którego określona jest orientacja mierzonych wektorów pola magnetycznego. Jest to instrument opracowany i wyprodukowany przez Technical University of Denmark.

Absolutny magnetometr skalarny

Jest to nowy instrument, którego celem jest dostarczenie pomiarów siły pola magnetycznego na potrzeby kalibracji magnetometru wektorowego. Pozwala to na utrzymywanie stałej całkowitej dokładności pomiarów pola magnetycznego w trakcie 4-letniej misji. Urządzenie jest instrumentem absolutnym, tzn. dostarczane przez niego wyniki są bardzo stabilne w czasie. Urządzenie zostało dostarczone dzięki współpracy z CEA-Leti z Francji.

Przyspieszeniomierz

Instrument ten mierzy przyspieszenie niebędące przyspieszeniem grawitacyjnym, a następnie dostarcza informacji o oporze powietrza oraz wietrze słonecznym. Wykonawcą tego urządzenia były czeskie instytuty – Czech Republic’sAerospaceResearch oraz Test Establishment, VZLU.

Instrument do pomiarów pola elektrycznego

Informacje pozyskane tym instrumentem pozwalają na oszacowanie prądów w jonosferze i magnetosferze. Dzięki temu można określić zmieniający się w czasie wkład zewnętrznych źródeł pola magnetycznego do mierzonego pola magnetycznego Ziemi i pozwala na oddzielenie ich od pola wewnętrznego wytwarzanego przez jądro. Jest to technologia opracowana przez kanadyjski COM DEV. Instrument ten jest jednocześnie pierwszym urządzeniem obrazującym jonosferę w 3D, który znajduje się na orbicie.

Dodatkowymi instrumentami są odbiornik GPS, który służy do precyzyjnego określenia orbity, oraz retroreflektor laserowy zapewniający odpowiednie działania systemu GPS.

Credit: ESA/AOES Medialab

Tak zaawansowany zestaw instrumentów pozwala nam w lepszy sposób badać wnętrze naszej planety i otrzymać więcej informacji o dynamice jądra Ziemi, procesach geodynamicznych, interakcji jądro-płaszcz, magnetyzmie litosfery w znaczeniu geologicznym. Dodatkowo dowiemy się więcej o przewodnictwie elektrycznym płaszcza. Dane uzyskane dzięki misji Swarm umożliwią również dogłębniej zbadać wpływ Słońca na naszą planetę poprzez analizę prądów elektrycznych w magnetosferze oraz jonosferze, a także lepiej zrozumieć wpływ wiatru słonecznego na dynamikę mezosfery.

* * *

Po 4 latach, misja Swarm kieruje swoją uwagę również na nowe obszary. Seria nowych wyników misji nie tylko zawiera najwyższej rozdzielczości mapę pola magnetycznego generowanego przez naszą planetę czy mapę niewielkich magnetycznych sygnałów pochodzących z oceanów, ale okazało się, że nieoczekiwanie pozwala na wgląd w błyskawice w mezosferze, a także geomagnetyczne burze.

Najnowsze odkrycia pochodzące z kwietnia br. zachwycały na tegorocznym spotkaniu Europejskiej Unii Nauk o Ziemi, które odbyło się we Wiedniu. To wydarzenie przyciąga naukowców z całego świata, którzy dzielą się swoimi obserwacjami na temat naszej planety.

Jedno z odkryć nawiązuje do związku pomiędzy pogodą, której doświadczamy na Ziemi, a jej odpowiednikiem w przestrzeni kosmicznej.

Rozładowując ogromne ładunki elektryczne, błyskawica jest jednym z najniebezpieczniejszych, a jednocześnie najpiękniejszych, manifestacji w przyrodzie. Zgodnie z prawami fizyki błyski, które widzimy, muszą również rozprzestrzeniać się w górę, a my wciąż musimy się wiele nauczyć na temat drugiego końca błyskawic. Chociaż nie był to zamysł podczas projektowania satelity Swarm, to może ona również mierzyć jonosferyczny odpowiednik błyskawic.

Najczęściej rozpoznajemy błyskawice jako nagłe wyzwolenie światła, ale oprócz tego przenoszą one fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości.

We wczesnej fazie misji, każdy magnetometr umieszczony na satelitach Swarm był uruchamiany w trybie wyższej częstotliwości niż normalnie. Dane z tego okresu zostały ponownie przeanalizowane i okazało się, że instrument ten wykrył elektromagnetyczne fale. Przekształcone na dźwięk noszą nazwę gwizdu atmosferycznego. Szum tych gwizdów pochodzących z błyskawic można usłyszeć w animacji poniżej. Niektóre z nich o nietypowych częstotliwościach były rejestrowane już wcześniej, jednakże Swarm wykrył ich ponad 4000 w ciągu zaledwie 4 dni, co daje ogromną bazę danych. Jest to wyjątkowa okazja do zbadania natury jonosfery (warstwy atmosfery występującej powyżej 50–60 km nad powierzchnią Ziemi) oraz dowiedzenia się, jak sygnały z wyładowań atmosferycznych uciekają z atmosfery i rozprzestrzeniają się w przestrzeni kosmicznej.


Credit: Institut de Physique du Globe de Paris

Dodatkowo Swarm ma również teraz wkład w nasze zrozumienie, jak rozwijają się burze w mezosferze. Ziemska mezosfera znajduje się na wysokości od 45–50 km do 85–90 km, między stratosferą a termosferą. Podczas geomagnetycznej burzy wiatr słoneczny oddziałuje wraz z ziemskim polem magnetycznym, emitując duże ilości energii do tej warstwy atmosfery w postaci prądów elektrycznych. Podczas gdy część tej energii ma wpływ na tworzenie się zórz polarnych, to większość przekształcana jest w ciepło na podstawie procesu fizycznego, jakim jest prawo Joule’a, co natomiast ma wpływ na poszerzanie się mezosfery.

Kiedy rozpoczyna się burza, ciepło wchodzi w strefę zorzową. W odpowiedzi gaz atmosferyczny znajdujący się nad zorzą rozszerza się i jest przenoszony na wyższe wysokości. Następnie opada falami, które pokrywają całą planetę w ciągu zaledwie kilku godzin. “To naprawdę masywny ruch gazu w górnej części atmosfery”, przyznał Eelco Doornbos z Delft University of Technology.


Credit: TU Delft

“Misja została zaprojektowana, aby dać nam nowe spojrzenie na pole magnetyczne i robi to ona w spektakularny sposób”, powiedział Rune Floberghagen – kierownik misji Swarm. “Spełnia ona swoje zadanie, a my otrzymujemy przełomowe wyniki naukowe, które pomagają nam zrozumieć świat, w którym żyjemy oraz przestrzeń wokół niego. Niezwykłe wyniki, które przychodzą ze Swarm nigdy nie przestaną mnie zadziwiać”.

* * *

Nie sposób się nie zgodzić z panem Floberghagenem. Wyobraźcie sobie, że jesteście entuzjastami zórz polarnych i pewnego razu udaje wam się sfotografować dziwną, migoczącą wstążkę fioletowego światła na niebie. Wiele osób uznało początkowo ten wyjątkowy pokaz świateł jako kolejną zorzę polarną – zwłaszcza kiedy grupa Aurora Chasers opublikowała swoje zdjęcie na Facebooku.

Credit: KristaTrinder

Odkrycie na niebie zdumiało naukowców, a od kiedy fenomen nazwany po prostu Steve pojawił się w 2016 roku w nagłówkach gazet, wiele osób zaczęło zastanawiać się i starać badać to zjawisko. Okazuje się, że chociaż nazwa zjawiska ma bardzo pospolita nazwę, to jej charakter jest znacznie bardziej skomplikowany.

Obecnie na pomoc w rozwiązaniu zagadki przychodzi właśnie misja Swarm. W magazynie Science Advantages opublikowane zostały wyniki prac zespołu Elizabeth MacDonald – fizyka kosmicznego w NASA, które zostały oparte na informacjach pochodzących z tych trzech satelitów.

Zorze polarne tworzą się, kiedy nasze pole magnetyczne ściąga energię wraz z cząsteczkami atomowymi zawartymi w wietrze słonecznym w okolice północnego i południowego bieguna. Kiedy te cząsteczki zderzą się z atomami i molekułami w górnych warstwach atmosfery, wówczas na nocnym niebie pojawiają się osławione fale zielonego światła, które dostrzegamy na nocnym niebie.

Badania jednak podkreślają, że chociaż Steve pojawia się w tym samym czasie co zorza polarna, jest zupełnie innym fenomenem. Zorze najczęściej manifestują się kolorami jak zielony, niebieski czy czerwony i mogą trwać godzinami. Steve jest bardziej purpurową smugą i pozostaje na niebie stosunkowo krótko.

Chociaż Steve tworzy się w ten sam sposób jak normalne zorze, to podróżuje wzdłuż innych linii pola magnetycznego i dzięki temu może pojawić się na niższych szerokościach, gdzie ułożenie globalnych pól elektrycznych i magnetycznych powoduje, że jony i elektrony płyną szybko w kierunku wschód-zachód, zwiększając w czasie swoją temperaturę.

Pomiary otrzymane dzięki satelitom Swarm potwierdzają, że Steve zawiera szybko poruszający się strumień ekstremalnie gorących cząsteczek atomowych. Co ciekawe, naukowcy wiedzieli o istnieniu tego drygu już od dłuższego czasu, jednakże nie byli świadomi jego wizualnego efektu.

“Steve może pomóc nam zrozumieć jak wyglądają chemiczne i fizyczne procesy w górnych warstwach atmosfery, które mogą czasami mieć zauważalne skutki w dolnych częściach”, powiedziała Elizabeth MacDonald. “Daje nam to dobry wgląd w to, jak system ziemski działa jako całość”.

Credit: DaveMarkelPhotography

Rune Floberghagen powiedział: “Chociaż Steve jest obecnie badany przez najlepszych naukowców w dziedzinie pogody kosmicznej, wciąż pozostaje wspaniałym przykładem nauki obywatelskiej. Bez niej mógł przeminąć niezauważony. A misja Swarm raz jeszcze pomogła w rozwoju naszej wiedzy na temat Słońca i Ziemi”.

Chociaż właśnie imię Steve pojawiło się dzięki entuzjastom nauki, to pozostając w świecie naukowców stało się akronimem Strong Thermal Emission Velocity Enhancement, co można przetłumaczyć jako Silne Wzmocnienie Prędkości Emisji Termicznej.

* * *

Oprócz znaczącego wkładu w postęp naukowy, pomiary dostarczone przez trzy satelity Swarm będą wartościowe w szeregu innych zastosowań. Przykładowo dane zostaną wykorzystane w praktyczny sposób, zwiększając dokładność systemów nawigacyjnych (wliczając w to systemy na satelitach). Będą miały również wkład w prognozowanie trzęsień ziemi oraz podniosą wydajność w poszukiwaniu naturalnych surowców.