Para peneliti melacak secara perlahan 'penyok' di medan magnet bumi – Sains Terkini

Penyok kecil tapi berkembang di medan magnet bumi dapat menyebabkan sakit kepala besar bagi satelit.

Medan magnet bumi bertindak seperti perisai pelindung di sekitar planet, mengusir dan menjebak partikel bermuatan dari Matahari. Tetapi di Amerika Selatan dan Samudra Atlantik bagian selatan, titik lemah yang tidak biasa di lapangan – disebut South Atlantic Anomaly, atau SAA – memungkinkan partikel-partikel ini menukik lebih dekat ke permukaan daripada biasanya. Radiasi partikel di wilayah ini dapat melumpuhkan komputer onboard dan mengganggu pengumpulan data satelit yang melewatinya – alasan utama mengapa ilmuwan NASA ingin melacak dan mempelajari anomali tersebut.

Anomali Atlantik Selatan juga menarik bagi para ilmuwan Bumi NASA yang memantau perubahan kekuatan medan magnet di sana, baik untuk mengetahui bagaimana perubahan tersebut memengaruhi atmosfer Bumi dan sebagai indikator tentang apa yang terjadi pada medan magnet Bumi, jauh di dalam bumi.

Saat ini, SAA tidak menimbulkan dampak yang terlihat pada kehidupan sehari-hari di permukaan. Namun, pengamatan dan prakiraan baru-baru ini menunjukkan bahwa wilayah tersebut meluas ke arah barat dan terus melemah dalam intensitas. Itu juga membelah – data terbaru menunjukkan lembah anomali, atau wilayah dengan kekuatan medan minimum, telah terbelah menjadi dua lobus, menciptakan tantangan tambahan untuk misi satelit.

Sejumlah ilmuwan NASA dalam kelompok penelitian geomagnetik, geofisika, dan heliofisika mengamati dan memodelkan SAA, untuk memantau dan memprediksi perubahan di masa depan – dan membantu mempersiapkan tantangan masa depan terhadap satelit dan manusia di luar angkasa.

Apa yang ada di dalam itulah yang penting

Anomali Atlantik Selatan muncul dari dua fitur inti bumi: Kemiringan sumbu magnetnya, dan aliran logam cair di dalam inti luarnya.


Bumi agak seperti magnet batang, dengan kutub utara dan selatan yang mewakili kutub magnet berlawanan dan garis medan magnet tak terlihat mengelilingi planet di antara mereka. Tetapi tidak seperti magnet batang, medan magnet inti tidak sejajar sempurna di seluruh dunia, juga tidak stabil secara sempurna. Itu karena medan tersebut berasal dari inti terluar Bumi: cair, kaya zat besi, dan dalam gerakan kuat 1800 mil di bawah permukaan. Logam yang berputar ini bertindak seperti generator besar, yang disebut geodynamo, menciptakan arus listrik yang menghasilkan medan magnet.

Ketika gerakan inti berubah dari waktu ke waktu, karena kondisi geodinamis yang kompleks di dalam inti dan pada batas dengan mantel padat di atas, medan magnet juga berfluktuasi dalam ruang dan waktu. Proses dinamis dalam riak inti ke arah luar ke medan magnet yang mengelilingi planet, menghasilkan SAA dan fitur lain di lingkungan dekat Bumi – termasuk kemiringan dan pergeseran kutub magnet, yang bergerak seiring waktu. Evolusi di lapangan ini, yang terjadi pada skala waktu yang sama dengan konveksi logam di inti terluar, memberi para ilmuwan petunjuk baru untuk membantu mereka mengungkap dinamika inti yang mendorong geodinamik.

"Medan magnet sebenarnya adalah superposisi medan dari banyak sumber saat ini," kata Terry Sabaka, ahli geofisika di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland. Wilayah di luar Bumi padat juga berkontribusi pada medan magnet yang diamati. Namun, kata dia, sebagian besar lapangan berasal dari inti.

Gaya di inti dan kemiringan sumbu magnet bersama-sama menghasilkan anomali, area magnet yang lebih lemah – memungkinkan partikel bermuatan yang terperangkap di medan magnet bumi untuk menukik lebih dekat ke permukaan.

Matahari mengeluarkan partikel dan medan magnet yang disebut angin matahari dan awan besar plasma panas serta radiasi yang disebut coronal mass ejections. Ketika materi surya ini mengalir melintasi ruang angkasa dan mengenai magnetosfer Bumi, ruang yang ditempati oleh medan magnet Bumi, ia dapat terperangkap dan tertahan di dua sabuk berbentuk donat di sekitar planet yang disebut Sabuk Van Allen. Sabuk tersebut menahan partikel untuk melakukan perjalanan di sepanjang garis medan magnet bumi, terus menerus memantul dari kutub ke kutub. Sabuk terdalam dimulai sekitar 400 mil dari permukaan Bumi, yang menjaga jarak radiasi partikelnya dari Bumi dan satelit yang mengorbitnya.

Namun, ketika badai partikel yang sangat kuat dari Matahari mencapai Bumi, sabuk Van Allen dapat menjadi sangat berenergi dan medan magnet dapat berubah bentuk, memungkinkan partikel bermuatan menembus atmosfer.

"SAA yang diamati juga dapat diartikan sebagai konsekuensi melemahnya dominasi bidang dipol di wilayah tersebut," kata Weijia Kuang, ahli geofisika dan matematikawan di Laboratorium Geodesi dan Geofisika Goddard. "Lebih khusus lagi, bidang lokal dengan polaritas terbalik tumbuh kuat di wilayah SAA, sehingga membuat intensitas medan sangat lemah, lebih lemah daripada di wilayah sekitarnya."

Sebuah lubang di luar angkasa

Meskipun Anomali Atlantik Selatan muncul dari proses di dalam Bumi, namun memiliki efek yang menjangkau jauh di luar permukaan Bumi. Wilayah ini bisa berbahaya bagi satelit orbit rendah Bumi yang melewatinya. Jika satelit dihantam oleh proton berenergi tinggi, ia dapat mengalami korsleting dan menyebabkan peristiwa yang disebut gangguan peristiwa tunggal atau SEU. Hal ini dapat menyebabkan fungsi satelit mengalami gangguan sementara atau dapat menyebabkan kerusakan permanen jika komponen kunci terkena. Untuk menghindari kehilangan instrumen atau seluruh satelit, operator biasanya mematikan komponen yang tidak penting saat melewati SAA. Memang, Penjelajah Koneksi Ionosfer NASA secara teratur melakukan perjalanan melalui wilayah tersebut sehingga misi terus mengawasi posisi SAA.

Stasiun Luar Angkasa Internasional, yang berada di orbit rendah Bumi, juga melewati SAA. Itu terlindungi dengan baik, dan astronot aman dari bahaya saat berada di dalam. Namun, ISS memiliki penumpang lain yang terpengaruh oleh tingkat radiasi yang lebih tinggi: Instrumen seperti misi Investigasi Dinamika Ekosistem Global, atau GEDI, mengumpulkan data dari berbagai posisi di luar ISS. SAA menyebabkan "gangguan" pada detektor GEDI dan menyetel ulang papan daya instrumen sekitar sebulan sekali, kata Bryan Blair, wakil peneliti utama misi dan ilmuwan instrumen, dan ilmuwan instrumen lidar di Goddard.

"Peristiwa ini tidak membahayakan GEDI," kata Blair. "Detektor blip jarang terjadi dibandingkan dengan jumlah tembakan laser – sekitar satu blip dalam sejuta tembakan – dan peristiwa garis ulang menyebabkan beberapa jam data hilang, tetapi itu hanya terjadi setiap bulan atau lebih."

Selain mengukur kekuatan medan magnet SAA, ilmuwan NASA juga telah mempelajari radiasi partikel di wilayah tersebut dengan Solar, Anomalous, and Magnetospheric Particle Explorer, atau SAMPEX – misi Small Explorer NASA yang pertama, diluncurkan pada tahun 1992 dan memberikan pengamatan. hingga 2012. Satu studi, yang dipimpin oleh ahli heliofisika NASA Ashley Greeley sebagai bagian dari tesis doktoralnya, menggunakan data dua dekade dari SAMPEX untuk menunjukkan bahwa SAA perlahan tapi pasti bergerak ke arah barat laut. Hasilnya membantu mengonfirmasi model yang dibuat dari pengukuran geomagnetik dan menunjukkan bagaimana lokasi SAA berubah saat medan geomagnetik berkembang.

"Partikel-partikel ini terkait erat dengan medan magnet, yang memandu gerakan mereka," kata Shri Kanekal, seorang peneliti di Laboratorium Fisika Heliosfer di NASA Goddard. "Oleh karena itu, pengetahuan tentang partikel memberi Anda informasi tentang medan geomagnetik juga."

Hasil Greeley, yang diterbitkan dalam jurnal Space Weather, juga mampu memberikan gambaran yang jelas tentang jenis dan jumlah radiasi partikel yang diterima satelit saat melewati SAA, yang menekankan perlunya pemantauan berkelanjutan di wilayah tersebut.


Informasi yang dikumpulkan Greeley dan kolaboratornya dari pengukuran in-situ SAMPEX juga berguna untuk desain satelit. Insinyur untuk Orbit Bumi Rendah, atau LEO, satelit menggunakan hasil untuk merancang sistem yang akan mencegah peristiwa latch-up yang menyebabkan kegagalan atau hilangnya pesawat ruang angkasa.

Memodelkan masa depan yang lebih aman untuk satelit

Untuk memahami bagaimana SAA berubah dan untuk mempersiapkan ancaman masa depan terhadap satelit dan instrumen, Sabaka, Kuang dan rekan mereka menggunakan pengamatan dan fisika untuk berkontribusi pada model global medan magnet bumi.

Tim menilai keadaan medan magnet saat ini menggunakan data dari konstelasi Swarm Badan Antariksa Eropa, misi sebelumnya dari berbagai lembaga di seluruh dunia, dan pengukuran tanah. Tim Sabaka membongkar data observasi untuk memisahkan sumbernya sebelum diteruskan ke tim Kuang. Mereka menggabungkan data yang diurutkan dari tim Sabaka dengan model dinamika inti mereka untuk meramalkan variasi sekuler geomagnetik (perubahan cepat dalam medan magnet) di masa depan.

Model geodynamo unik dalam kemampuannya menggunakan fisika inti untuk membuat prakiraan di masa mendatang, kata Andrew Tangborn, ahli matematika di Laboratorium Geodinamika Planet Goddard.

"Ini mirip dengan bagaimana ramalan cuaca dibuat, tetapi kami bekerja dengan skala waktu yang lebih lama," katanya. "Ini adalah perbedaan mendasar antara apa yang kami lakukan di Goddard dan sebagian besar kelompok penelitian lain yang memodelkan perubahan di medan magnet Bumi."

Salah satu aplikasi yang telah dikontribusikan oleh Sabaka dan Kuang adalah Bidang Referensi Geomagnetik Internasional, atau IGRF. Digunakan untuk berbagai penelitian dari inti hingga batas atmosfer, IGRF adalah kumpulan model kandidat yang dibuat oleh tim peneliti di seluruh dunia yang mendeskripsikan medan magnet bumi dan melacak perubahannya dalam waktu.

"Meskipun SAA bergerak lambat, ia mengalami beberapa perubahan morfologi, jadi penting juga bagi kita untuk terus mengamatinya dengan melanjutkan misi," kata Sabaka. "Karena itulah yang membantu kami membuat model dan prediksi."

SAA yang berubah memberi para peneliti peluang baru untuk memahami inti Bumi, dan bagaimana dinamikanya memengaruhi aspek lain dari sistem Bumi, kata Kuang. Dengan melacak "penyok" yang berkembang perlahan di medan magnet ini, para peneliti dapat lebih memahami cara planet kita berubah dan membantu mempersiapkan masa depan yang lebih aman bagi satelit.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.