Dzidki, zapewne co najmniej część z Was słyszała już o anomalii południowoatlantyckiej (SAA) i jej nieustannym rozszerzaniu się. Są to zmiany w ziemskim polu magnetycznym, które skutkują przepuszczaniem cząstek promieniowania kosmicznego, które wpływa na znajdujące się na dużych wysokościach obiekty, takie jak statki i stacje kosmiczne, satelity, a nawet na teleskop Hubble’a czy Międzynarodową Stację Kosmiczną. Na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci doprowadziło to do kilku awarii stacji kosmicznych i satelitów, przez co ustala się, kiedy w tym obszarze astronauci mogą wykonywać spacery kosmiczne, a kiedy nie powinni tego robić. Warto także wspomnieć, że anomalie magnetyczne mają również wpływ na przebiegunowanie Ziemi (chodzi tutaj oczywiście o bieguny magnetyczne).

Czym jest anomalia magnetyczna?

Pole magnetyczne Ziemi jest wynikiem samopodtrzymującego się procesu (zwanego geodynamo), który według teorii brytyjskiego fizyka, Edwarda Bullarda, jest najbardziej prawdopodobną hipotezą, która głosi, że pole magnetyczne naszej planety wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w jądrze naszej planety, w której znajduje się płynne żelazo. To właśnie te prądy tworzą i wzmacniają pole magnetyczne rozciągające się na dziesiątki tysięcy kilometrów w głąb kosmosu, zaś miejsce, w którym pole magnetyczne Ziemi oddziałuje z naładowanymi cząstkami zwie się magnetosferą, która jest odpowiedzialna za odpychanie wiatru słonecznego oraz promieni kosmicznych, dzięki czemu chroni atmosferę naszej planety i pomaga w podtrzymaniu znajdującego się na niej życia.

Tutaj warto zaznaczyć, że nie wszystkie naładowane cząstki są odbijane, gdyż niektóre z nich ulegają uwięzieniu w dwóch pasach radiacyjnych Van Allena (nazwanych na cześć amerykańskiego astronoma Jamesa Alfreda Van Allena, który przy pomocy licznika Geigera-Müllera umieszczonego na pokładzie sztucznego satelity o nazwie Explorer 1 odkrył je w 1958 roku). Ich wnętrze znajduje się w przybliżeniu 645 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, zaś oba pasy rozmieszczone są symetrycznie względem osi magnetycznej planety. Jednak nie jest ona wyrównana z osią obrotu Ziemi, co sprawia, że odległość pasów radiacyjnych Van Allena różni się w zależności od miejsca na powierzchni planety. To właśnie w tych miejscach, gdzie pasy radiacyjne znajdują się bliżej powierzchni Ziemi nie wszystkie cząstki mogą zostać odbite i powstają anomalie magnetyczne, czyli różnice między ziemskim polem magnetycznym a wartościami wyliczonymi w oparciu o położenie biegunów magnetycznych planety. Dzieli się je ze względu na wielkość i wyróżnia kolejno anomalie kontynentalne (wschodnioazjatycka czy południowoatlantycka), regionalne oraz lokalne (jedna znajduje się nawet w Polsce – w Krzemiance nieopodal Suwałk). Warto również wspomnieć, że pomniejsze anomalie wiążą się w występowaniem minerałów magnetycznych, jak chociażby ruda żelaza (nic dziwnego, że stanowiła ważny surowiec w Gothicu) czy skał zasadowych lub ultrazasadowych.

Anomalia południowoatlantycka - Charakterystyka

Jedną z najbardziej niepokojących anomalii magnetycznych, które ulegają gwałtownym zmianom na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci jest anomalia południowoatlantycka (ang. SAA - South Atlantic Anomaly). Rozciąga się od centrum Ameryki Południowej do południowo-zachodnich krańców Afryki. Jest to obszar, w którym wewnętrzny pas znajduje się w odległości zaledwie 190 km od powierzchni Ziemi (jest to najbliżej położony punkt na naszej planecie) i posiada zmniejszone natężenie pola magnetycznego. Ze względu na aż taką bliskość pasa radiacyjnego w tym rejonie dochodzi do przepuszczania części cząstek promieniowania kosmicznego, przez co znajdujące się na niskiej orbicie okołoziemskiej stacje kosmiczne przemieszczające się po niskiej orbicie okołoziemskiej mogą okresowo przechodzić przez anomalię południowoatlantycką wystawiając się na duże ilości uwięzionych cząstek o wysokiej energii (szkodliwe dla elektroniki dawki promieniowania kosmicznego), co przyczynia się do chwilowego zakłócania pracy satelitów, komputerów na stacjach i statkach kosmicznych, a także może mieć wpływ nawet na teleskop Hubble’a czy Międzynarodową Stację Kosmiczną, dlatego też jest czasami zwana kosmicznym Trójkątem Bermudzkim.

Najbardziej prawdopodobna teoria głosi, że przyczyną występowania anomalii południowoatlantyckiej jest przechylenie osi magnetycznej Ziemi i przepływ stopionych metali w jądrze planety na głębokości wynoszącej ponad 2800 km pod powierzchnią. To właśnie w tym miejscu generowane jest ziemskie pole magnetyczne. Zmienia się ono w czasie, wpływając m. in. na ruch biegunów magnetycznych Ziemi. Szacuje się nawet, że anomalia południowoatlantycka, która nieustannie się poszerza może mieć istotny wpływ na przyszłość lotów kosmicznych. W dodatku według przeprowadzanych badań geodynamicznych, anomalia magnetyczna na południowej części Atlantyku przesuwa się na zachód, z prędkością około 0.3° w ciągu roku. Przeprowadzane badania wykazały także, że wewnętrzne jądro Ziemi obraca się szybciej, niż pozostałe warstwy planety o około 0,3–0,5° rocznie.

W ostatnich latach zaobserwowano niepokojące zmiany SAA, które wskazują na rozszerzanie się  anomalii w kierunku północno-zachodnim, zaś rejon o minimalnym natężeniu pola magnetycznego rozdziela się na dwa ośrodki. W miejscu występowania osłabionego pola magnetycznego cząstki wiatru słonecznego przenikają głębiej do atmosfery, zaś w obszarach o normalnym polu magnetycznym wspomniane cząstki zostają uwięzione, co sprawia, że opływają glob pasami Van Allena. Pasy te powstrzymują cząstki wiatru słonecznego i sprawiają, że te przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego. W wyniku silnych burz słonecznych pasy Van Allena mogą stać się wysoko naenergetyzowane, co może prowadzić do deformacji pola magnetycznego i przenikania cząstek do atmosfery.

Warto tutaj podkreślić, że SAA było przez wiele lat przyczyną dziesiątek awarii stacji kosmicznych czy satelitów przelatujących przez ten obszar tej anomalii magnetycznej. Naukowcy z NASA i ESA od lat śledzą zachowanie anomalii południowoatlantyckiej. Dlatego tak istotne jest zrozumienie, co jest przyczyną zachodzących zmian, gdyż mogą one wpłynąć na dalsze losy misji satelitarnych oraz lotów kosmicznych.

Wpływ anomalii południowoatlantyckiej na statki kosmiczne

Chociaż samo SAA powstaje w wyniku procesów zachodzących wewnątrz Ziemi, ma ona skutki sięgające daleko ponad jej powierzchnię. Region występowania najniebezpieczniej z anomalii magnetycznych może być zagrożeniem dla przemieszczających się nad nim satelitów kosmicznych, które krążą na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdyż w wyniku uderzenia przez wysokoenergetyczny proton, może dojść do zwarcia, co z kolei może doprowadzić do zakłócenia funkcji satelity lub nawet jej trwałego uszkodzenia. Znajdujące się na orbicie okołoziemskiej urządzenia przelatujące przez miejsca anomalii magnetycznej, gdzie pole magnetyczne planety jest słabsze, narażone są na większą ilość naładowanych cząstek pochodzących z burz słonecznych, co może je uszkadzać. W celu ochrony przed utratą poszczególnych elementów elektronicznych lub całych satelitów czy stacji kosmicznych, ich operatorzy wyłączają poszczególne komponenty podczas przechodzenia przez obszar anomalii południowoatlantyckiej.

Chociaż NASA także przelatuje nad tym miejscem, zapewnia że astronauci znajdujący się wewnątrz statków są bezpieczni (ci, którzy w przeszłości wystawieni byli na działanie promieniowania kosmicznego w tym obszarze narzekali na występowanie efektu "shooting stars", czyli rezultatu bombardowania siatkówki oka przez naładowane cząstki). Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) czasami przechodząca przez teren anomalii magnetycznej została wyposażona w odpowiednią  osłonę przed promieniowaniem, aby chronić astronautów. Nawet nie znajdujące się już w użytku promy kosmiczne czasami przelatywały przez SAA, jednak krótki charakter ich lotów sprawił, że nie martwiono się nimi tak bardzo. Biorąc pod uwagę wysokie narażenie na promieniowanie, jakie ponosiliby astronauci bezpośrednio na nie narażeni, spacery kosmiczne ISS są planowane w taki sposób, żeby nie odbywały się podczas tranzytów przez anomalię południowoatlantycką.

W wyniku przeprowadzanych obserwacji dotyczących SAA opracowano strategię przeciwdziałania potencjalnym szkodom, jakie mogą wyrządzić cząstki o wysokiej energii, co uwzględniane jest przy budowie nowoczesnych promów i stacji kosmicznych. Inżynierowie NASA często decydują się na dodanie większej ilości osłon chroniących przed promieniowaniem kosmicznym. Jednak minusem takiego rozwiązania jest to, że zwiększa ono masę statku kosmicznego, co z kolei podnosi koszty jego startu. Półprzewodnikowe układy scalone z arsenkiem galu są bardziej odporne na uszkodzenia radiacyjne. Umieszczenie delikatnych elementów elektronicznych w głębszych warstwach korpusu statku kosmicznego, gdzie są otoczone innymi gęstszymi, twardszymi komponentami, zapewnia dodatkową ochronę przed szkodliwym promieniowaniem. W miarę rozwoju inżynierii kosmicznej i przeprowadzanych badań geodynamicznych zwiększa się świadomość zagrożeń wynikających z promieniowania kosmicznego w obrębie anomalii południowoatlantyckiej.

Promieniowanie kosmiczne, zwłaszcza te w okolicach obszaru anomalii południowoatlantyckiej, od dziesięcioleci wywiera wpływ na funkcjonowanie elektroniki w stacjach kosmicznych czy satelitach prowadząc do jej uszkodzenia. Ponadto może powodować również zagrożenie dla astronautów znajdujących się w tym rejonie, jeśli znajdują się poza stacją kosmiczną. To właśnie z tego powodu naukowcy z NASA i ESA nieustannie monitorują zmiany zachodzące w SAA, aby ustalać, kiedy mogą być wykonywane spacery kosmiczne w tym obszarze. Co ciekawe, kiedy Kosmiczny Teleskop Hubble'a przelatuje przez ten region, naukowcy muszą wyłączyć go, żeby nie uległ zniszczeniu. Ze względu na zmiany zachodzące w anomalii magnetycznej, badacze NASA i ESA starają się przewidzieć ich przebieg, co pomaga w planowaniu dalszych misji kosmicznych.

Tutaj warto podkreślić, że do tej pory nie zaobserwowano żadnego wpływu zmian w polu magnetycznym Ziemi na znajdujące się na jej powierzchni formy życia. Tak samo nie ma ona wpływ na samoloty czy helikoptery, ponieważ znajdują się one w dość niewielkiej odległości od powierzchni planety w porównaniu do stacji kosmicznych, satelitów czy teleskopu Hubble’a. Dlatego osoby, które mieszkają w tym obszarze czy nawet odbywają nad nim loty samolotami bądź helikopterami nie mają powodów do zmartwień.

Przykładowe awarie statków kosmicznych i satelitów na terenie SAA

Zagrożenia wynikające z promieniowania w obszarze anomalii północnoatlantyckiej niejednokrotnie doprowadziły do awarii statków kosmicznych czy satelitów przelatujących przez jej obszar na niskiej orbicie okołoziemskiej. Bardziej znany przypadek miał miejsce w 2016 roku i dotyczył satelity naukowo-badawczego X-ray Astronomy należącego do JAXA (Japońskiej Agencji Eksploracji Aerokosmicznej). Satelita znany był również pod nazwą Hitomi i został wystrzelony w lutym w celu zbadania wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich pochodzących z ekstremalnych procesów zachodzących w centrach aktywnych galaktyk, gromad galaktyk, okolicach czarnych dziur czy supernowych. Dane miały pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak powstają i ewoluują galaktyki oraz gromady galaktyk, a także jaką rolę w tym całym procesie spełnia ciemna materia. Kontakt z satelitą został utracony dnia 26 marca 2016 roku. Po analizie przyczyny jego utraty okazało się, że X-ray Astronomy wpadł w niekontrolowany ruch obrotowy, a następnie rozpadł się na części w obszarze SAA. Po wnikliwszej analizie wcześniej napotykanych przez satelitę zakłóceń okazało się, że znajdujące się w niej urządzenia napotykały problemy za każdym razem, kiedy przelatywała ona przez obszar anomalii południowoatlantyckiej. Założono, że przyczyną uszkodzenia systemu było promieniowanie kosmiczne, w wyniku czego próbując skorygować nieistniejące problemy pozycyjne, sonda zaczęła się zbyt szybko obracać.

Kolejnym ciekawym przypadkiem była awaria amerykańskiej stacji kosmicznej SkyLab (skrót od angielskiej nazwy Sky Laboratory), która funkcjonowała w latach 1973-1979, co prowadziło do zaburzeń pracy komputerów i instrumentów znajdujących się na jej pokładzie. Podobne problemy napotykały różne promy kosmiczne, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) czy statek kosmiczny Dragon SpaceX należący do przedsiębiorstwa Elona Muska, który doświadczył nawet nieco poważniejszych usterek podczas przelotu nad anomalią południowoatlantycką. Okazuje się, że stacje i statki kosmiczne oraz satelity przelatujące przez ten obszar napotykają na nieistniejące problemy pozycyjne oraz inne zakłócenia wynikające z zaburzeń promieniowania magnetycznego w tym obszarze, który ulega na dodatek pomału rozdzieleniu na dwie części.

Przebiegunowanie pola magnetycznego Ziemi

Według szacunków geologa Brada Singera oraz jego zespołu badawczego z Uniwersytetu Wisconsin w Madison ostatnie przebiegunowanie Ziemi wystąpiło około 770 tysięcy lat temu i trwało co najmniej 22 tysiące lat. Odkrycie to wykazało, że trwało ono kilkakrotnie dłużej, niż do tej pory zakładano. Badania te oparte zostały o analizę globalnych przepływów lawy, osadów oceanicznych i rdzeni lodowych Antarktydy. Połączono odczyty magnetyczne z datowaniem radioizotopowym próbek lawy, co pomogło odtworzyć pole magnetyczne na przestrzeni około 70 tysięcy lat, po czym skoncentrowano uwagę na poprzednim przebiegunowaniu (Brunhes-Matuyama). Dane na temat zmiany biegunów zostały również potwierdzone odczytami magnetycznymi z dna morskiego oraz badaniami rdzeni lodowych z Antarktydy zawierających beryl. Według najnowszej analizy poprzednia zamiana biegunów magnetycznych planety trwała mniej, niż 4000 lat, a na dodatek poprzedzał ją długi okres niestabilności trwający około 18000 lat.

Ponadto w przeciągu zaledwie ostatnich 200 lat dryf magnetycznego bieguna północnego przesunął go z Kanady aż do Syberii i ustalono, że przemieszcza się on z prędkością ponad 48 km rocznie. Prowadzone są także obserwacje biegunów magnetycznych Słońca, które odwracają się co około 11 lat, co jest również cennym źródłem danych dotyczących przebiegunowania magnetycznego Ziemi. Na dodatek dane z należących do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) satelitów Swarm zbierane przez dwa lata wykazały, że w pobliżu wybrzeży Afryki formuje się jej nowe centrum anomalii magnetycznej. Cennym źródłem informacji okazały się także badania magnetometryczne wykonywane przy pomocy specjalnych magnetometrów, sprzętu sejsmicznego badającego zachowanie pola geomagnetycznego na podstawie analizy zapisów oceanicznych oraz sonarów (obszerniejszy opis systemów SONAR i ich wykorzystania znajduje się w innej dzidce).

Warto tutaj dodać, że podczas zmiany biegunów, pole magnetyczne Ziemi ulega osłabieniu, co sprawia, że większe ilości cząstek promieniowania kosmicznego zderza się z ziemską atmosferą, co z kolei przekłada się na powstawanie większej ilości berylu. Szacunki ESA wykazują, że w przeciągu ostatnich 200 lat pole magnetyczne Ziemi stało się słabsze o 9 %, zaś przez ostatnie 50 lat w obserwowanej anomalii atlantyckiej siła pola magnetycznego zmniejszyła się z 24000 do ok. 22000 nanotesli. Na ten podstawie wielu naukowców potwierdziło teorię, wnioskując, że prawdopodobnie słabnące pole magnetyczne w obrębie SAA, jej przemieszczania się i rozdzielania się na dwie części oznacza, że właśnie doświadczamy wczesnych etapów zamiany biegunów magnetycznych. Jednak nadal nie wiadomo, jak długo może trwać cały proces, kiedy wystąpi następna zamiana biegunów magnetycznych i w jaki sposób wpłynie to na tak mocno uzależnioną od elektroniki cywilizację.

Dodatkowa literatura dla zainteresowanych:

Anomalia południowoatlantycka (SAA):

1.https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-021-01356-w
2.https://science.thewire.in/the-sciences/earth-magnetic-field-south-atlantic-anomaly-solar-storms/
3.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364682617303887
4.https://przystaneknauka.us.edu.pl/artykul/anomalia-magnetyczna-nad-poludniowym-atlantykiem
5.https://tylkonauka.pl/wiadomosc/magnetyczna-anomalia-poludniowoatlantycka-zaczela-sie-przemieszczac-i-powiekszac
6.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016SW001525
7.https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2020/05/Development_of_the_South_Atlantic_Anomaly
8.https://astronet.pl/uklad-sloneczny/n7805/

Anomalie magnetyczne:

9.https://zmianynaziemi.pl/wiadomosc/anomalia-magnetyczna-poludniowym-atlantyku-kosmiczny-trojkat-bermudzki
10.https://dzienniknaukowy.pl/planeta/anomalie-w-ziemskim-polu-magnetycznym-pod-lupa-nasa-najwieksza-z-nich-przemieszcza-sie
11.https://tylkonauka.pl/wiadomosc/anomalie-magnetyczne-istnieja-od-milionow-lat
12.https://nafalinauki.pl/czego-w-szkole-ci-nie-powiedzieli-o-ziemskim-polu-magnetycznym-cz-1-inklinacja-deklinacja-i-anomalie/

Pole magnetyczne Ziemi:

13.https://jednaziemia.pgi.gov.pl/planeta-ziemia/57-magnetyzm/3808-ziemskie-pole-magnetyczne.html
14.https://www.nasa.gov/magnetosphere
15.https://www.pulskosmosu.pl/2016/05/13/misja-mms-przynosi-wytlumaczenie-zjawiska-rekoneksji-magnetycznej/
16.https://esero.kopernik.org.pl/dwa-lata-obserwacji-zmian-pola-magnetycznego-ziemi-przez-satelity-swarm/
17.http://21sci-tech.com/translations/gaussMagnetic.pdf
18.https://nafalinauki.pl/jak-silne-moze-byc-pole-magnetyczne/
19.http://fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html
20.https://fizyka.ujk.edu.pl/pl/files/mrowczynski/magnes.html
21.https://uxomarine.pl/badania-geofizyczne/badania-ferromagnetyczne/
22.https://cordis.europa.eu/article/id/120185-magnetic-attraction-helps-explain-the-motion-under-the-ocean/pl
23.https://gothic.fandom.com/pl/wiki/Bry%C5%82ka_rudy_%C5%BCelaza

Przebiegunowanie Ziemi:

24.https://climate.nasa.gov/news/3105/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/
25.https://tylkonauka.pl/wiadomosc/czy-bieguny-magnetyczne-ziemi-zamienia-sie-wkrotce-miejscami
26.https://mlodytechnik.pl/technika/30220-biegunowy-zawrot-glowy
27.https://dzienniknaukowy.pl/planeta/anomalia-w-ziemskim-polu-magnetycznym-poglebia-sie-moze-to-zwiastowac-przebiegunowanie-ziemi
28.https://tylkonauka.pl/wiadomosc/naukowcy-dokonali-istotnego-odkrycia-w-zwiazku-z-przebiegunowaniem-ziemi