Оңтүстік Атлант Аномалиясы: Жердің магнит өрісінің әлсіреу аймағы

Кіріспе

Жердің магнит өрісі идеалданған диполға қатысты ең әлсіз аймақ.

Оңтүстік Атлантика аномалиясы (SAA) – Жердің ішкі Ван Аллен сәулелендіру белдеуі Жер бетіне ең жақын келетін аймақ, ол белгілі бір биіктікке дейін төмендейді. Бұл аймақтағы энергетикалық бөлшектердің ағыны артады және орбиталық спутниктерді (соның ішінде ХҒС) қалыпты деңгейден жоғары иондаушы сәулеленуге ұшыратады. Бұл құбылыс Жердің және оның магниттік диполының ортақ орталыққа ие болмауынан туындайды және соңғы кезде қарқындылығының артып жатқаны байқалып отыр. SAA – Жердің магнит өрісі идеалдастырылған, Жер орталықты дипольдық өріске қарағанда ең әлсіз болатын Жерге жақын аймақ.

Анықтама

SAA аймағы теңіз деңгейінде 32 000 нанотесладан төмен Жердің магнит өрісінің қарқындылығымен шектеледі, бұл ионосфералық биіктіктегі диполярлы магнит өрісіне сәйкес келеді. Алайда, өрістің өзі градиент ретінде қарқындылығы бойынша өзгеріп отырады. Егер Жердің магнетизмі шағын, бірақ күшті магнит ("магниттік диполь") арқылы бейнеленсе, SAA өзгерісін магнитті экватор жазықтығына емес, солтүстікке қарай сәл ығыстырып, Сингапур бағытында орналастыру арқылы көрсетуге болады. Нәтижесінде, Оңтүстік Американың солтүстігінде және Оңтүстік Атлантика мұхитында, Сингапурдың антиподальдық нүктесіне жақын жерде магнит өрісі салыстырмалы түрде әлсіз, бұл радиациялық белдеулердің тұтқындалған бөлшектері үшін кері күштің төмендеуіне әкеледі, соның салдарынан бұл бөлшектер атмосфераның жоғарғы қабаттарына әдеттегіден тереңірек жетеді. SAA пішіні уақыт өте келе өзгеріп отырады. 1958 жылы алғаш рет анықталғаннан бері, SAA-ның оңтүстік шекарасы шамамен тұрақты болып келеді, ал солтүстік-батысқа, солтүстікке, солтүстік-шығысқа және шығысқа қарай ұзақ мерзімді кеңею байқалды. Сонымен қатар, SAA пішіні мен бөлшектердің тығыздығы тәуліктік өзгерістерге ұшырайды, ең жоғары бөлшектер тығыздығы шамамен жергілікті түске сәйкес келеді. Белгілі бір биіктікте SAA -50° және 0° арасындағы географиялық ендіктер мен -90° және +40° арасындағы бойлықтарды қамтиды. SAA-ның ең қарқынды бөлігі жылына шамамен 0,3° жылдамдықпен батысқа қарай жылжиды, бұл төменде келтірілген сілтемелерде көрініс береді. SAA-ның жылжу жылдамдығы Жердің ядросы мен оның беті арасындағы айналудың айырмашылығына өте жақын, ол жылына 0,3° мен 0,5° аралығында деп есептеледі. Қазіргі әдебиеттер геомагниттік өрістің баяу әлсіреуі SAA шекараларының өзгеруіне себеп болатын бірнеше факторлардың бірі екенін көрсетеді. Геомагниттік өріс әлсіреген сайын, ішкі Ван Аллен белдеуі Жерге жақындап келеді, бұл белгілі бір биіктікте SAA-ның сәйкесінше кеңеюіне әкеледі. Орта Холоцен кезінде SAM орналасқан аймақтағы Жердің магнит өрісі қазіргі күнгі белсенділігіне қарамастан салыстырмалы түрде тыныш және тұрақты болды. Оңтүстік Атлантика аномалиясы Жердің ішіндегі өте тығыз тау жыныстарынан тұратын Африканың үлкен төмен жылдамдықты провинциясы деп аталатын үлкен резервуардың нәтижесі болуы мүмкін. Аномалияның орны максималды магниттік ағынның немесе ағынның центройды болуы мүмкін, бұл сынама алу шуына сезімтал емес және ерекшеліктің толық бейнесін көрсетеді. 2021 жылдың қаңтар айында центроид шамамен 0,23°О 0,34°Б орналасқан және жылына шамамен жылжиды.

The area of the SAA is confined by the intensity of Earth's magnetic field at less than 32,000 nanotesla at sea level, which corresponds to the dipolar magnetic field at ionospheric altitudes. However, the field itself varies in intensity as a gradient. If Earth's magnetism is represented by a bar magnet of small size but strong intensity ("magnetic dipole"), the SAA variation can be illustrated by placing the magnet not in the plane of the Equator, but some small distance North, shifted more or less in the direction of Singapore. As a result, over northern South America and the south Atlantic, near Singapore's antipodal point, the magnetic field is relatively weak, resulting in a lower repulsion to trapped particles of the radiation belts there, and as a result these particles reach deeper into the upper atmosphere than they otherwise would. The shape of the SAA changes over time. Since its initial discovery in 1958, the southern limits of the SAA have remained roughly constant while a long term expansion has been measured to the northwest, the north, the northeast, and the east. Additionally, the shape and particle density of the SAA varies on a diurnal basis, with greatest particle density corresponding roughly to local noon. At an altitude of approximately , the SAA spans from −50° to 0° geographic latitude and from −90° to +40° longitude. The highest intensity portion of the SAA drifts to the west at a speed of about 0.3° per year, and is noticeable in the references listed below. The drift rate of the SAA is very close to the rotation differential between the Earth's core and its surface, estimated to be between 0.3° and 0.5° per year. Current literature suggests that a slow weakening of the geomagnetic field is one of several causes for the changes in the borders of the SAA since its discovery. As the geomagnetic field continues to weaken, the inner Van Allen belt gets closer to the Earth, with a commensurate enlargement of the SAA at given altitudes. During the Middle Holocene, the Earth's magnetic field in the region occupied by the SAM was relatively calm and quiescent, contrasting with its present day activity. The South Atlantic Anomaly seems to be caused by a huge reservoir of very dense rock inside the Earth called the African large low shear velocity province. The position of the anomaly can be that of the maximum magnetic flux or that of the centroid of the flux, which is less sensitive to sampling noise and more representative of the feature as a whole. In January 2021, the centroid was located near and drifting about 0.23°S 0.34°W per year.

Интенсивтілігі мен әсерлері

Оңтүстік Атлантика аномалиясы Жерді бірнеше жүз шақырым биіктікте айналып жүрген астрономиялық спутниктер мен басқа да ғарыш кемелері үшін маңызды; бұл орбиталар спутниктерді аномалия арқылы мерзімді түрде өткізіп, оларды ішкі Ван Аллен белдеуіндегі тұтқындалған протоннан туындаған бірнеше минуттық күшті иондаушы сәулеленуге ұшыратады. Space Shuttle STS 94 рейсі кезіндегі өлшемдер зарядталған бөлшектерден сіңірілген дозаның жылдамдығы 112-ден 175 мкГй/күнге дейін, ал доза эквивалентінің жылдамдығы 264,3-тен 413 мкСв/күнге дейін өскенін көрсетті. 51,6° еңіспен орбитадағы Халықаралық ғарыш станциясы осы мәселені шешу үшін қосымша қорғауды қажет етеді. Хаббл ғарыш телескопы Оңтүстік Атлантика аномалиясы арқылы өтетін кезде бақылау жүргізбейді. Аномалиядан өту Skylab Apollo телескопының күн жарқылы сенсорында қате дабылдарға себеп болды. Астронавттарға да осы аймақ әсер етеді, бұл олардың көру аясындағы ерекше "көк жарқындардың" (фосфендердің) себебі деп саналады, бұл құбылыс ғарыш сәулелерінің визуалды әсері деп аталады. 2007 жылы Globalstar желісінің спутниктерінің істен шығуына Оңтүстік Атлантика аномалиясынан өту себеп болды деп есептеледі. PAMELA эксперименті Оңтүстік Атлантика аномалиясы арқылы өтетін кезде күтілгеннен әлдеқайда жоғары антипротон деңгейін анықтады. Бұл Ван Аллен белдеуі Жердің жоғарғы атмосферасының ғарыш сәулелерімен өзара әрекеттесуінен пайда болған антибөлшектерді ұстап тұратынын көрсетеді. NASA заманауи ноутбуктердің ғарыш кемесі аномалиядан өткен кезде істен шыққанын хабарлады. 2012 жылдың қазан айында Халықаралық ғарыш станциясына қосылған SpaceX CRS 1 Dragon ғарыш кемесі аномалиядан өткен кезде уақытша қиындыққа тап болды. Оңтүстік Атлантика аномалиясы Жапонияның ең қуатты рентгендік обсерваториясы – Хитомидің жойылуына әкелген оқиғалар тізбегін бастады деп саналады. Аномалия бағытты анықтау механизмін уақытша тоқтатты, нәтижесінде спутник дұрыс жұмыс істемейтін гироскоптарға тәуелді болды, содан кейін бақылаудан шығып, күн панельдерін жоғалтты.

The South Atlantic Anomaly is of great significance to astronomical satellites and other spacecraft that orbit the Earth at several hundred kilometers altitude; these orbits take satellites through the anomaly periodically, exposing them to several minutes of strong ionizing radiation, caused by the trapped protons in the inner Van Allen belt. Measurements on Space Shuttle flight STS 94 have ascertained that absorbed dose rates from charged particles have extended from 112 to 175 μGy/day, with dose equivalent rates ranging from 264.3 to 413 μSv/day. The International Space Station, orbiting with an inclination of 51.6°, requires extra shielding to deal with this problem. The Hubble Space Telescope does not take observations while passing through the SAA. Passing through the anomaly caused false alarms on Skylab Apollo Telescope Mount's solar flare sensor. Astronauts are also affected by this region, which is said to be the cause of peculiar "shooting stars" (phosphenes) seen in the visual field of astronauts, an effect termed cosmic ray visual phenomena. Passing through the South Atlantic Anomaly is thought to be the reason for the failures of the Globalstar network's satellites in 2007. The PAMELA experiment, while passing through the SAA, detected antiproton levels that were orders of magnitude higher than expected. This suggests the Van Allen belt confines antiparticles produced by the interaction of the Earth's upper atmosphere with cosmic rays. NASA has reported that modern laptop computers have crashed when Space Shuttle flights passed through the anomaly. In October 2012, the SpaceX CRS 1 Dragon spacecraft attached to the International Space Station experienced a transient problem as it passed through the anomaly. The SAA is believed to have started a series of events leading to the destruction of the Hitomi, Japan's most powerful X ray observatory. The anomaly transiently disabled a direction finding mechanism, causing the satellite to rely solely on gyroscopes that were not working properly, after which it spun out of control, losing its solar panels in the process.