Une petite bosse évolutive dans le champ magnétique terrestre peut causer de gros maux de tête aux satellites.

Le champ magnétique terrestre agit comme un bouclier protecteur autour de la planète, repousser et piéger les particules chargées du Soleil. Mais sur l'Amérique du Sud et le sud de l'océan Atlantique, un point exceptionnellement faible sur le terrain, appelé anomalie de l'Atlantique Sud, ou SAA - permet à ces particules de plonger plus près de la surface que la normale. Le rayonnement des particules dans cette région peut assommer les ordinateurs de bord et interférer avec la collecte de données des satellites qui la traversent, une des principales raisons pour lesquelles les scientifiques de la NASA veulent suivre et étudier l'anomalie.

L'anomalie de l'Atlantique Sud intéresse également les scientifiques de la NASA qui surveillent les changements de l'intensité du champ magnétique là-bas, à la fois pour la façon dont ces changements affectent l'atmosphère terrestre et en tant qu'indicateur de ce qui arrive aux champs magnétiques de la Terre, profondément à l'intérieur du globe.

Actuellement, le SAA ne crée aucun impact visible sur la vie quotidienne en surface. Cependant, les observations et prévisions récentes montrent que la région s'étend vers l'ouest et continue de faiblir en intensité. Il se divise également - des données récentes montrent la vallée de l'anomalie, ou région d'intensité de champ minimale, s'est divisé en deux lobes, créant des défis supplémentaires pour les missions satellitaires.

Une foule de scientifiques de la NASA en géomagnétique, géophysique, et les groupes de recherche en héliophysique observent et modélisent la SAA, pour surveiller et prévoir les changements futurs et aider à se préparer aux futurs défis des satellites et des humains dans l'espace.

C'est ce qu'il y a à l'intérieur qui compte

L'anomalie de l'Atlantique Sud résulte de deux caractéristiques du noyau terrestre :l'inclinaison de son axe magnétique, et le flux de métaux en fusion dans son noyau externe.

La Terre est un peu comme un barreau aimanté, avec des pôles nord et sud qui représentent des polarités magnétiques opposées et des lignes de champ magnétique invisibles encerclant la planète entre eux. Mais contrairement à un barreau aimanté, le champ magnétique central n'est pas parfaitement aligné à travers le globe, il n'est pas non plus parfaitement stable. C'est parce que le champ provient du noyau externe de la Terre :fondu, riche en fer et en mouvement vigoureux à 1800 milles sous la surface. Ces métaux barattés agissent comme un énorme générateur, appelé la géodynamo, créant des courants électriques qui produisent le champ magnétique.

Au fur et à mesure que le mouvement du noyau change avec le temps, en raison de conditions géodynamiques complexes dans le noyau et à la limite avec le manteau solide au-dessus, le champ magnétique fluctue aussi dans l'espace et dans le temps. Ces processus dynamiques dans le noyau se répercutent vers l'extérieur vers le champ magnétique entourant la planète, générer la SAA et d'autres caractéristiques dans l'environnement proche de la Terre, y compris l'inclinaison et la dérive des pôles magnétiques, qui évoluent dans le temps. Ces évolutions dans le domaine, qui se produisent sur une échelle de temps similaire à la convection des métaux dans le noyau externe, fournir aux scientifiques de nouveaux indices pour les aider à démêler la dynamique fondamentale qui anime la géodynamo.

"Le champ magnétique est en fait une superposition de champs provenant de nombreuses sources de courant, " a déclaré Terry Sabaka, géophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Les régions en dehors de la Terre solide contribuent également au champ magnétique observé. Cependant, il a dit, la majeure partie du champ vient du noyau.

Les forces dans le noyau et l'inclinaison de l'axe magnétique produisent ensemble l'anomalie, la zone de magnétisme plus faible, permettant aux particules chargées piégées dans le champ magnétique terrestre de plonger plus près de la surface.

Le Soleil expulse un flux constant de particules et de champs magnétiques connus sous le nom de vent solaire et de vastes nuages ​​de plasma chaud et de rayonnement appelés éjections de masse coronale. Lorsque cette matière solaire traverse l'espace et heurte la magnétosphère terrestre, l'espace occupé par le champ magnétique terrestre, il peut être piégé et retenu dans deux ceintures en forme de beignet autour de la planète appelées ceintures de Van Allen. Les ceintures empêchent les particules de voyager le long des lignes de champ magnétique de la Terre, rebondissant continuellement d'un pôle à l'autre. La ceinture la plus interne commence à environ 400 miles de la surface de la Terre, qui maintient son rayonnement de particules à une distance saine de la Terre et de ses satellites en orbite.

Cependant, lorsqu'une tempête particulièrement forte de particules du Soleil atteint la Terre, les courroies de Van Allen peuvent devenir très énergisées et le champ magnétique peut être déformé, permettant aux particules chargées de pénétrer dans l'atmosphère.

"La SAA observée peut également être interprétée comme une conséquence de l'affaiblissement de la dominance du champ dipolaire dans la région, " a déclaré Weijia Kuang, géophysicien et mathématicien au Laboratoire de géodésie et de géophysique de Goddard. "Plus précisement, un champ localisé à polarité inversée croît fortement dans la région SAA, rendant ainsi l'intensité du champ très faible, plus faible que celle des régions environnantes.

Un nid de poule dans l'espace

Bien que l'anomalie de l'Atlantique Sud résulte de processus à l'intérieur de la Terre, il a des effets qui s'étendent bien au-delà de la surface de la Terre. La région peut être dangereuse pour les satellites en orbite terrestre basse qui la parcourent. Si un satellite est heurté par un proton de haute énergie, il peut provoquer un court-circuit et provoquer un événement appelé single event upset ou SEU. Cela peut provoquer un dysfonctionnement temporaire du satellite ou causer des dommages permanents si un composant clé est touché. Afin d'éviter de perdre des instruments ou un satellite entier, les opérateurs arrêtent généralement les composants non essentiels lorsqu'ils passent par la SAA. En effet, L'explorateur de connexions ionosphériques de la NASA voyage régulièrement dans la région et la mission garde donc un œil constant sur la position de la SAA.

La Station spatiale internationale, qui est en orbite terrestre basse, passe également par la SAA. il est bien protégé, et les astronautes sont à l'abri de tout danger lorsqu'ils sont à l'intérieur. Cependant, l'ISS a d'autres passagers affectés par les niveaux de rayonnement plus élevés :des instruments comme la mission Global Ecosystem Dynamics Investigation, ou GEDI, collecter des données à partir de diverses positions à l'extérieur de l'ISS. Le SAA provoque des "blips" sur les détecteurs de GEDI et réinitialise les cartes d'alimentation de l'instrument environ une fois par mois, dit Bryan Blair, l'investigateur principal adjoint et scientifique des instruments de la mission, et un scientifique des instruments lidar à Goddard.

"Ces événements ne causent aucun préjudice à GEDI, " a déclaré Blair. " Les échos du détecteur sont rares par rapport au nombre de tirs laser - environ un écho sur un million de tirs - et l'événement de réinitialisation de la ligne provoque quelques heures de perte de données, mais cela n'arrive que tous les mois environ."

En plus de mesurer l'intensité du champ magnétique du SAA, Les scientifiques de la NASA ont également étudié le rayonnement des particules dans la région avec le Solar, Anormal, et Explorateur de particules magnétosphériques, ou SAMPEX, la première des missions Small Explorer de la NASA, lancé en 1992 et fournissant des observations jusqu'en 2012. Une étude, dirigée par l'héliophysicienne de la NASA Ashley Greeley dans le cadre de sa thèse de doctorat, utilisé deux décennies de données de SAMPEX pour montrer que la SAA dérive lentement mais régulièrement vers le nord-ouest. Les résultats ont permis de confirmer les modèles créés à partir de mesures géomagnétiques et ont montré comment l'emplacement de la SAA change à mesure que le champ géomagnétique évolue.

"Ces particules sont intimement associées au champ magnétique, qui guide leurs mouvements, " dit Shri Kanekal, chercheur au Laboratoire de physique héliosphérique de la NASA Goddard. "Par conséquent, toute connaissance des particules vous donne également des informations sur le champ géomagnétique."

les résultats de Greeley, publié dans la revue Space Weather, ont également été en mesure de fournir une image claire du type et de la quantité de rayonnement de particules que les satellites reçoivent lorsqu'ils traversent la SAA, qui a souligné la nécessité d'une surveillance continue dans la région.

Les informations que Greeley et ses collaborateurs ont recueillies à partir des mesures in situ de SAMPEX ont également été utiles pour la conception de satellites. Ingénieurs pour l'orbite terrestre basse, ou LEO, satellite a utilisé les résultats pour concevoir des systèmes qui empêcheraient un événement de verrouillage de provoquer une panne ou une perte du vaisseau spatial.

Modéliser un avenir plus sûr pour les satellites

Afin de comprendre l'évolution de la SAA et de se préparer aux futures menaces pesant sur les satellites et les instruments, Sabaka, Kuang et leurs collègues utilisent les observations et la physique pour contribuer aux modèles mondiaux du champ magnétique terrestre.

L'équipe évalue l'état actuel du champ magnétique à l'aide des données de la constellation Swarm de l'Agence spatiale européenne, missions précédentes d'agences du monde entier, et les mesures au sol. L'équipe de Sabaka sépare les données d'observation pour séparer leur source avant de les transmettre à l'équipe de Kuang. Ils combinent les données triées de l'équipe de Sabaka avec leur modèle de dynamique de base pour prévoir la variation séculaire géomagnétique (changements rapides du champ magnétique) dans le futur.

Les modèles geodynamo sont uniques dans leur capacité à utiliser la physique de base pour créer des prévisions à court terme, dit Andrew Tangborn, mathématicien au Laboratoire de géodynamique planétaire de Goddard.

« Ceci est similaire à la façon dont les prévisions météorologiques sont produites, mais nous travaillons avec des échelles de temps beaucoup plus longues, " a-t-il dit. " C'est la différence fondamentale entre ce que nous faisons à Goddard et la plupart des autres groupes de recherche modélisant les changements dans le champ magnétique de la Terre. "

L'une de ces applications auxquelles Sabaka et Kuang ont contribué est le champ international de référence géomagnétique, ou IGRF. Utilisé pour une variété de recherches du cœur aux limites de l'atmosphère, l'IGRF est une collection de modèles candidats réalisés par des équipes de recherche du monde entier qui décrivent le champ magnétique terrestre et suivent son évolution dans le temps.

« Même si la SAA évolue lentement, il subit un changement de morphologie, il est donc également important que nous continuions à l'observer en ayant des missions continues, ", a déclaré Sabaka. "Parce que c'est ce qui nous aide à faire des modèles et des prédictions."

L'évolution de la SAA offre aux chercheurs de nouvelles opportunités de comprendre le noyau de la Terre, et comment sa dynamique influence d'autres aspects du système Terre, dit Kuang. En suivant cette « bosse » évoluant lentement dans le champ magnétique, les chercheurs peuvent mieux comprendre l'évolution de notre planète et aider à préparer un avenir plus sûr pour les satellites.