美国国家航空航天局研究人员追踪地球磁场缓慢分裂的“凹痕”

地球磁场中一个微小但不断变化的凹陷可能会给卫星带来很大的麻烦。地球就像地球周围的保护罩，排斥和捕获来自太阳的带电粒子。但在南美洲和南大西洋上空，磁场中的一个异常薄弱的地方-称为南大西洋异常，或SAA-允许这些粒子比正常情况下沉到更接近地表的地方。这一区域的粒子辐射可能会破坏机载计算机，并干扰通过它的卫星的数据收集-这是NASA科学家想要跟踪和研究这种异常的关键原因。

美国国家航空航天局(NASA)的地球科学家也对南大西洋异常感兴趣，他们监测那里的磁场强度变化，既是因为这种变化如何影响地球的大气，也是为了作为地球深处磁场发生变化的一个指标。

目前，SAA对地表的日常生活没有造成明显的影响。然而，最近的观测和预报显示，该地区正在向西扩张，强度继续减弱。它也在分裂--最近的数据显示，异常的山谷，或最低场强的区域，已经分裂成两个波瓣，给卫星任务带来了额外的挑战。

美国宇航局地磁、地球物理和太阳物理研究小组的许多科学家对SAA进行观察和建模，以监测和预测未来的变化，并帮助准备应对未来对卫星和人类在太空中的挑战。

南大西洋异常来自于地球核心的两个特征：磁轴倾斜和外核内熔融金属的流动。

地球有点像条形磁铁，北极和南极代表相反的磁极，看不见的磁力线在它们之间环绕着地球。但与条形磁铁不同的是，磁芯磁场在整个地球上不是完全对齐的，也不是完全稳定的。这是因为磁场起源于地球的外核：在地表下1800英里处熔融的、富含铁的、剧烈运动的。这些搅动的金属就像一个巨大的发电机，叫做地发电机，产生产生磁场的电流。

随着地核运动随时间的变化，由于地核内部及上方与固体地幔交界处复杂的地球动力学条件，磁场在空间和时间上也会发生波动。核心中的这些动态过程向外波及围绕行星的磁场，在近地环境中产生SAA和其他特征-包括磁极的倾斜和漂移，这些特征随着时间的推移而移动。该领域的这些演化发生在与外核金属对流相似的时间尺度上，为科学家提供了新的线索，帮助他们解开驱动地球发电机的核心动力学。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球物理学家特里·萨巴卡说，磁场实际上是来自许多电流源的磁场叠加而成。固体地球以外的区域也对观测到的磁场有贡献。然而，他说，大部分油田来自核心。

地核中的力和磁轴的倾斜共同产生了反常现象，这是一个磁性较弱的区域--使被困在地球磁场中的带电粒子能够更接近地表。

太阳源源不断地喷出粒子和磁场，称为日冕物质抛射，形成巨大的热等离子体和辐射云。当这种太阳能物质流经太空并撞击地球的磁层(地球磁场占据的空间)时，它可能会被困在地球周围的两个甜甜圈状的带中，称为范艾伦带。这些带限制了粒子沿着地球的磁力线运动，不断地在两极之间来回反弹。最里面的带开始于距离地球表面约400英里的地方，这使得它的粒子辐射与地球及其轨道卫星保持了一段健康的距离。

然而，当来自太阳的特别强烈的粒子风暴到达地球时，范艾伦带可能会变得非常能量，磁场可能会变形，从而允许带电粒子穿透大气层。

戈达德大地测量和地球物理实验室的地球物理学家和数学家匡维佳(音译)说，观测到的SAA也可以解释为该地区偶极场主导地位减弱的结果。更具体地说，极性反转的局域场在SAA区强烈生长，从而使场强非常弱，比周围区域的场强弱。

尽管南大西洋异常是由地球内部的过程引起的，但它的影响远远超出了地球表面。该地区对通过它的低地球轨道卫星来说可能是危险的。如果卫星被高能质子击中，它可能会短路并导致称为单粒子翻转或SEU的事件。这可能会导致卫星的功能暂时出现故障，或者如果一个关键部件被击中，可能会造成永久性的损害。为了避免丢失仪器或整颗卫星，运营商通常会在非必要部件通过SAA时关闭它们。事实上，美国宇航局的电离层连接探测器定期穿越该地区，因此任务时刻关注着SAA的位置。

在近地轨道上的国际空间站也经过SAA。它受到很好的保护，宇航员在里面不会受到伤害。然而，国际空间站还有其他乘客受到较高辐射水平的影响：像全球生态系统动力学调查任务(GEDI)这样的仪器从国际空间站外部的不同位置收集数据。该任务的副首席研究员、仪器科学家、戈达德的激光雷达仪器科学家布莱恩·布莱尔(Bryan Blair)说，SAA会导致GEDI探测器上的信号闪烁，并大约每月重置仪器的电源板一次。该任务的副首席研究员和仪器科学家布莱恩·布莱尔(Bryan Blair)说，SAA会导致GEDI探测器上的闪烁，并大约每月复位仪器的电源板一次，布莱恩·布莱尔是该任务的副首席研究员和仪器科学家。

布莱尔说，这些事件不会对GEDI造成伤害。与激光发射的次数相比，探测器光点很少见--大约每百万次发射中就有一个光点--重置线路事件会导致几个小时的数据丢失，但这种情况大约每个月才会发生一次。"；

除了测量SAA，NASA的科学家们还利用太阳、异常和磁层粒子探测器(SAMPEX)研究了该地区的粒子辐射。SAMPEX是NASA于1992年发射的第一个小型探测器任务，提供观测到2012年。一项由美国宇航局太阳物理学家阿什利·格里利(Ashley Greeley)领导的研究，作为她博士论文的一部分，使用了来自SAMPEX的20年数据来表明，SAA正在缓慢但稳定地向西北方向漂移。结果帮助确认了由地磁测量创建的模型，并显示了SAA的位置是如何随着地磁场的演变而变化的。

这些粒子与引导它们运动的磁场密切相关，美国宇航局戈达德日球层物理实验室的研究员斯里·卡内卡尔说。因此，任何有关粒子的知识都能给你提供有关地磁场的信息。

格里利的研究结果发表在“空间天气”杂志上，它还能够清楚地描述通过SAA时接收到的卫星的类型和数量。SAA强调了在该地区继续监测的必要性。

格里利和她的合作者从SAMPEX的现场测量中获得的信息对卫星设计也很有用。低地球轨道(LEO)卫星的工程师们利用这些结果来设计系统，以防止闭锁事件导致航天器故障或丢失。

为了了解SAA是如何变化的，并为未来对卫星和仪器的威胁做好准备，Sabaka、Kuang和他们的同事利用观测和物理手段对地球磁场的全球模型做出了贡献。

研究小组使用欧洲航天局的星群星座、世界各地机构以前的任务和地面测量数据来评估磁场的当前状态。萨巴卡的团队对观测数据进行梳理，以分离出其来源，然后再将其传递给邝其志的团队。他们将萨巴卡团队整理的数据与他们的核心动力学模型结合起来，预测未来地磁的长期变化(磁场的快速变化)。

戈达德行星地球动力学实验室的数学家安德鲁·唐伯恩(Andrew Tangborne)说，地球发电机模型的独特之处在于，它们能够利用核心物理来创建近期预测。

这与天气预报的制作方式类似，但我们的工作时间尺度要长得多，他说。这是我们在戈达德所做的工作与大多数其他研究小组模拟地球磁场变化的根本不同之处。

Sabaka和Kuang贡献的一个这样的应用是国际地磁参考场(IGRF)。IGRF用于从大气层核心到边界的各种研究，是由世界各地的研究团队制作的候选模型的集合，这些模型描述了地球的磁场并跟踪其如何随时间变化。

萨巴卡说，尽管SAA移动缓慢，但它在形态上正在经历一些变化，所以我们通过继续执行任务来继续观察它也是很重要的。因为那是帮助我们做模型和预测的东西。

不断变化的SAA为研究人员提供了新的机会，让他们了解地球的核心，以及它的动态如何影响地球系统的其他方面，匡说。通过跟踪磁场中这种缓慢进化的凹痕，研究人员可以更好地了解我们的星球正在发生变化的方式，并帮助为卫星更安全的未来做准备。引用：美国国家航空航天局的研究人员追踪了从https://phys.org/news/2020-08-nasa-track-slowly-dent-earth.html检索到的地球磁场(2020年8月17日)的缓慢分裂。

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