Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học trong các nhóm nghiên cứu địa từ, địa vật lý và địa vật lý quan sát lập mô hình SAA để theo dõi và dự đoán những thay đổi trong tương lai – và giúp chuẩn bị cho những thách thức trong tương lai đối với vệ tinh và con người trong không gian.
Một vết lõm nhỏ nhưng đang phát triển trong từ trường Trái đất có thể khiến các vệ tinh phải đau đầu.
Từ trường của Trái đất hoạt động giống như một lá chắn bảo vệ xung quanh hành tinh, đẩy lùi và giữ các hạt tích điện từ Mặt trời. Nhưng ở Nam Mỹ và nam Đại Tây Dương, một điểm yếu bất thường trong trường – được gọi là Điểm bất thường Nam Đại Tây Dương, hay SAA – cho phép các hạt này gần bề mặt hơn bình thường. Bức xạ hạt trong khu vực này có thể đánh bật các máy tính trên bo mạch và cản trở việc thu thập dữ liệu của các vệ tinh đi qua nó – một lý do chính khiến các nhà khoa học NASA muốn theo dõi và nghiên cứu sự bất thường.
Sự bất thường ở Nam Đại Tây Dương cũng được các nhà khoa học về Trái đất của NASA quan tâm, những người theo dõi những thay đổi về cường độ từ trường ở đó, cả về cách những thay đổi đó ảnh hưởng đến bầu khí quyển của Trái đất và như một chỉ báo về những gì đang xảy ra với từ trường của Trái đất, sâu bên trong địa cầu.
Hiện tại, SAA không tạo ra các tác động có thể nhìn thấy được đối với cuộc sống hàng ngày trên bề mặt. Tuy nhiên, các quan sát và dự báo gần đây cho thấy khu vực này đang mở rộng về phía tây và tiếp tục suy yếu về cường độ. Nó cũng đang bị chia cắt – dữ liệu gần đây cho thấy thung lũng bất thường, hoặc vùng có cường độ trường tối thiểu, đã tách thành hai vùng, tạo ra thêm thách thức cho các sứ mệnh vệ tinh.
Một loạt các nhà khoa học của NASA trong các nhóm nghiên cứu địa từ, địa vật lý và địa vật lý quan sát và lập mô hình SAA, để theo dõi và dự đoán những thay đổi trong tương lai – và giúp chuẩn bị cho những thách thức trong tương lai đối với vệ tinh và con người trong không gian.
Đó là những gì bên trong tính
Dị thường Nam Đại Tây Dương phát sinh từ hai đặc điểm của lõi Trái đất: Độ nghiêng của trục từ trường và dòng chảy của kim loại nóng chảy bên trong lõi bên ngoài của nó.
Trái đất hơi giống một nam châm thanh, với các cực bắc và nam đại diện cho các cực từ đối lập và các đường sức từ trường vô hình bao quanh hành tinh giữa chúng. Nhưng không giống như nam châm thanh, từ trường lõi không thẳng hàng hoàn hảo qua quả cầu, và cũng không ổn định hoàn toàn. Đó là bởi vì bắt nguồn từ lĩnh vực cốt lõi ngoài của Trái đất: nóng chảy, giàu chất sắt và chuyển động mạnh mẽ 1.800 dặm bên dưới bề mặt. Những kim loại khuấy này hoạt động giống như một máy phát điện khổng lồ được gọi là geodynamo, tạo ra các dòng điện tạo ra từ trường.
Khi chuyển động của lõi thay đổi theo thời gian, do các điều kiện địa động lực học phức tạp bên trong lõi và tại ranh giới với lớp phủ rắn phía trên, từ trường cũng dao động theo không gian và thời gian. Các quá trình động học này trong lõi gợn sóng ra ngoài từ trường xung quanh hành tinh, tạo ra SAA và các đặc điểm khác trong môi trường gần Trái đất – bao gồm cả độ nghiêng và độ lệch của các cực từ, chúng di chuyển theo thời gian. Những diễn biến trên thực địa này, xảy ra với quy mô thời gian tương tự như sự đối lưu của kim loại trong lõi bên ngoài, cung cấp cho các nhà khoa học những manh mối mới để giúp họ làm sáng tỏ các động lực cốt lõi thúc đẩy địa động lực.
Terry Sabaka, nhà địa vật lý tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, cho biết: “Từ trường thực sự là sự chồng chất của các trường từ nhiều nguồn hiện tại. Các khu vực bên ngoài Trái đất rắn cũng đóng góp vào từ trường quan sát được. Tuy nhiên ông nói phần lớn lĩnh vực này đến từ cốt lõi.
Các lực trong lõi và độ nghiêng của trục từ cùng nhau tạo ra vùng dị thường, khu vực có từ tính yếu hơn – cho phép các hạt mang điện bị mắc kẹt trong từ trường của Trái đất nhúng gần bề mặt hơn.
Mặt trời đẩy ra một luồng hạt và từ trường liên tục được gọi là gió mặt trời và những đám mây khổng lồ gồm plasma nóng và bức xạ được gọi là sự phóng khối lượng đăng quang. Khi vật chất mặt trời này truyền xuyên không gian và va chạm vào từ quyển của Trái đất, phần không gian bị chiếm giữ bởi từ trường của Trái đất, nó có thể bị mắc kẹt và giữ trong hai vành đai hình bánh rán xung quanh hành tinh được gọi là Vành đai Van Allen. Các vành đai hạn chế các hạt di chuyển dọc theo các đường sức từ của Trái đất, liên tục nảy qua lại từ cực này sang cực khác. Vành đai trong cùng bắt đầu khoảng 400 dặm từ bề mặt của Trái Đất, mà giữ bức xạ hạt của nó một khoảng cách khỏe mạnh từ trái đất và vệ tinh quay quanh nó.
Tuy nhiên, khi một cơn bão hạt đặc biệt mạnh từ Mặt trời đến Trái đất, các vành đai Van Allen có thể trở nên tràn đầy năng lượng và từ trường có thể bị biến dạng, cho phép các hạt mang điện xuyên qua bầu khí quyển.
Weijia Kuang, nhà địa vật lý và toán học tại Phòng thí nghiệm trắc địa và địa vật lý của Goddard cho biết: “SAA quan sát được cũng có thể được hiểu là hệ quả của việc suy yếu sự thống trị của trường lưỡng cực trong khu vực. Cụ thể hơn, một trường cục bộ có phân cực đảo ngược phát triển mạnh mẽ trong vùng SAA, do đó làm cho cường độ trường rất yếu, yếu hơn so với các vùng xung quanh.”
Một “ổ gà” trong không gian
Mặc dù Sự bất thường ở Nam Đại Tây Dương phát sinh từ các quá trình bên trong Trái đất, nó có những tác động vượt xa bề mặt Trái đất. Khu vực này có thể nguy hiểm cho các vệ tinh quỹ đạo Trái đất thấp di chuyển qua nó. Nếu một vệ tinh bị tấn công bởi một proton năng lượng cao, nó có thể bị đoản mạch và gây ra một sự kiện gọi là sự kiện đơn lẻ hoặc SEU. Điều này có thể khiến chức năng của vệ tinh bị trục trặc tạm thời hoặc có thể gây ra thiệt hại vĩnh viễn nếu một bộ phận quan trọng bị va đập. Để tránh mất thiết bị hoặc toàn bộ vệ tinh, các nhà khai thác thường tắt các thành phần không thiết yếu khi chúng đi qua SAA. Thật vậy, Nhà thám hiểm kết nối tầng điện ly của NASA thường xuyên đi qua khu vực và vì vậy sứ mệnh liên tục theo dõi vị trí của SAA.
Trạm Vũ trụ Quốc tế nằm trong quỹ đạo Trái đất thấp cũng đi qua SAA. Nó được bảo vệ tốt, và các phi hành gia an toàn khỏi bị tổn hại khi ở bên trong. Tuy nhiên, ISS có những hành khách khác bị ảnh hưởng bởi mức độ bức xạ cao hơn: Các công cụ như sứ mệnh Điều tra Động lực học Hệ sinh thái Toàn cầu, hoặc GEDI, thu thập dữ liệu từ các vị trí khác nhau bên ngoài ISS. Theo Bryan Blair, phó điều tra viên chính của sứ mệnh và là nhà khoa học thiết bị, đồng thời là một nhà khoa học công cụ lidar tại Goddard, SAA gây ra “vết phồng rộp” trên máy dò của GEDI và đặt lại bảng điện của thiết bị khoảng một lần một tháng.
Những sự kiện này không gây hại cho GEDI. Vết phồng rộp của máy dò rất hiếm so với số lần bắn tia laser – khoảng một vết sáng trong một triệu lần chụp – và sự kiện đường dây đặt lại khiến dữ liệu bị mất vài giờ, nhưng nó chỉ xảy ra hàng tháng hoặc lâu hơn.
Ngoài việc đo cường độ từ trường của SAA, các nhà khoa học NASA cũng đã nghiên cứu bức xạ hạt trong khu vực bằng Máy khám phá hạt Mặt trời, Dị thường và Từ quyển, hoặc SAMPEX – nhiệm vụ đầu tiên trong các nhiệm vụ Thám hiểm nhỏ của NASA, được phóng vào năm 1992 và cung cấp các quan sát cho đến năm 2012. Một nghiên cứu do nhà nhật sinh học Ashley Greeley của NASA đứng đầu trong luận án tiến sĩ của cô đã sử dụng dữ liệu trong hai thập kỷ từ SAMPEX để chỉ ra rằng SAA đang trôi chậm nhưng đều đặn theo hướng Tây Bắc. Kết quả giúp xác nhận các mô hình được tạo ra từ các phép đo địa từ và cho thấy vị trí của SAA thay đổi như thế nào khi trường địa từ phát triển.
Shri Kanekal, nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Heliospheric tại NASA Goddard cho biết: “Những hạt này liên kết mật thiết với từ trường, dẫn đường cho chuyển động của chúng. Do đó, bất kỳ kiến thức nào về hạt cũng cung cấp cho bạn thông tin về trường địa từ.”
Kết quả của Greeley được công bố trên tạp chí Space Weather cũng có thể cung cấp một bức tranh rõ ràng về loại và số lượng các vệ tinh bức xạ hạt nhận được khi đi qua SAA, điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải tiếp tục theo dõi trong khu vực.
Thông tin mà Greeley và các cộng sự của cô thu được từ các phép đo tại chỗ của SAMPEX cũng rất hữu ích cho việc thiết kế vệ tinh. Các kỹ sư của Vệ tinh Quỹ đạo Trái đất Thấp, hay LEO, đã sử dụng kết quả để thiết kế các hệ thống có thể ngăn chặn sự kiện chốt gây hỏng hóc hoặc mất tàu vũ trụ.
Lập mô hình tương lai an toàn hơn cho vệ tinh
Để hiểu SAA đang thay đổi như thế nào và chuẩn bị cho các mối đe dọa trong tương lai đối với vệ tinh và thiết bị, Sabaka, Kuang và các đồng nghiệp của họ sử dụng các quan sát và vật lý để đóng góp vào các mô hình toàn cầu về từ trường của Trái đất.
Nhóm nghiên cứu đánh giá trạng thái hiện tại của từ trường bằng cách sử dụng dữ liệu từ chòm sao Swarm của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, các sứ mệnh trước đây từ các cơ quan trên khắp thế giới và các phép đo trên mặt đất. Nhóm của Sabaka trêu chọc dữ liệu quan sát để tách ra nguồn của nó trước khi chuyển cho nhóm của Kuang. Họ kết hợp dữ liệu được sắp xếp từ nhóm của Sabaka với mô hình động lực học cốt lõi của họ để dự báo sự biến đổi thế tục địa từ (những thay đổi nhanh chóng trong từ trường) trong tương lai.
Andrew Tangborn, một nhà toán học tại Phòng thí nghiệm Địa động lực Hành tinh của Goddard, cho biết các mô hình địa động lực là duy nhất ở khả năng sử dụng vật lý cốt lõi để tạo ra các dự báo tương lai gần.
Ông nói: “Điều này tương tự như cách dự báo thời tiết được tạo ra, nhưng chúng tôi đang làm việc với quy mô thời gian dài hơn nhiều. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa những gì chúng tôi làm ở Goddard và hầu hết các nhóm nghiên cứu khác mô hình hóa những thay đổi trong từ trường Trái đất.”
Một ứng dụng như vậy mà Sabaka và Kuang đã đóng góp là Trường Tham chiếu Địa từ Quốc tế, hay IGRF. Được sử dụng cho nhiều nghiên cứu khác nhau từ lõi đến ranh giới của khí quyển, IGRF là một tập hợp các mô hình ứng viên do các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới thực hiện nhằm mô tả từ trường của Trái đất và theo dõi cách nó thay đổi theo thời gian.
Sabaka cho biết: “Mặc dù SAA tiến triển chậm chạp, nó đang trải qua một số thay đổi về hình thái, vì vậy điều quan trọng là chúng tôi phải tiếp tục quan sát nó bằng cách tiếp tục các nhiệm vụ. “Bởi vì đó là thứ giúp chúng tôi đưa ra các mô hình và dự đoán.”
Việc thay đổi SAA cung cấp cho các nhà nghiên cứu những cơ hội mới để hiểu về lõi Trái đất và cách động lực học của nó ảnh hưởng đến các khía cạnh khác của hệ thống Trái đất, Kuang nói. Bằng cách theo dõi “vết lõm” phát triển chậm này trong từ trường, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn cách hành tinh của chúng ta đang thay đổi và giúp chuẩn bị cho một tương lai an toàn hơn cho các vệ tinh.
Nguồn truyện:
Tài liệu do NASA / Trung tâm bay vũ trụ Goddard cung cấp . Bản gốc do Mara Johnson-Groh và Jessica Merzdorf viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.