En liten men utvecklande buckla i jordens magnetfält kan orsaka stor huvudvärk för satelliter.

Jordens magnetfält fungerar som en skyddande sköld runt planeten, stöta bort och fånga upp laddade partiklar från solen. Men över Sydamerika och södra Atlanten, en ovanligt svag punkt i fältet – kallad South Atlantic Anomaly, eller SAA – gör att dessa partiklar kan dyka närmare ytan än normalt. Partikelstrålning i denna region kan slå ut omborddatorer och störa datainsamlingen av satelliter som passerar genom den - en viktig anledning till att NASA-forskare vill spåra och studera anomalien.

Den sydatlantiska anomalien är också av intresse för NASA:s jordforskare som övervakar förändringarna i magnetfältets styrka där, både för hur sådana förändringar påverkar jordens atmosfär och som en indikator på vad som händer med jordens magnetfält, djupt inne i jordklotet.

För närvarande, SAA skapar inga synliga effekter på det dagliga livet på ytan. Dock, färska observationer och prognoser visar att regionen expanderar västerut och fortsätter att försvagas i intensitet. Det splittras också - nyare data visar anomins dalgång, eller område med minsta fältstyrka, har delat i två lober, skapa ytterligare utmaningar för satellituppdrag.

En mängd NASA-forskare inom geomagnetisk, geofysik, och heliofysiska forskargrupper observerar och modellerar SAA, att övervaka och förutsäga framtida förändringar – och hjälpa till att förbereda sig för framtida utmaningar för satelliter och människor i rymden.

Det är vad som finns inuti som räknas

Den sydatlantiska anomin uppstår från två särdrag i jordens kärna:lutningen av dess magnetiska axel, och flödet av smälta metaller inom dess yttre kärna.

Jorden är lite som en barmagnet, med nord- och sydpoler som representerar motsatta magnetiska polariteter och osynliga magnetfältlinjer som omger planeten mellan dem. Men till skillnad från en barmagnet, kärnmagnetfältet är inte perfekt inriktat genom jordklotet, den är inte heller helt stabil. Det beror på att fältet kommer från jordens yttre kärna:smält, järnrik och i kraftig rörelse 1800 mil under ytan. Dessa kärnande metaller fungerar som en massiv generator, kallad geodynamo, skapar elektriska strömmar som producerar magnetfältet.

När kärnrörelsen förändras över tiden, på grund av komplexa geodynamiska förhållanden inom kärnan och vid gränsen till den fasta manteln ovanför, magnetfältet fluktuerar också i rum och tid. Dessa dynamiska processer i kärnan krusar utåt till det magnetiska fältet som omger planeten, genererar SAA och andra funktioner i den jordnära miljön – inklusive lutningen och driften av de magnetiska polerna, som rör sig över tiden. Dessa utvecklingar inom området, som händer på en liknande tidsskala som konvektion av metaller i den yttre kärnan, ge forskare nya ledtrådar för att hjälpa dem att reda ut kärndynamiken som driver geodynamon.

"Det magnetiska fältet är faktiskt en överlagring av fält från många strömkällor, sa Terry Sabaka, en geofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Regioner utanför den fasta jorden bidrar också till det observerade magnetfältet. Dock, han sa, huvuddelen av fältet kommer från kärnan.

Krafterna i kärnan och den magnetiska axelns lutning producerar tillsammans anomali, området med svagare magnetism – vilket gör att laddade partiklar fångade i jordens magnetfält kan dyka närmare ytan.

Solen driver ut ett konstant utflöde av partiklar och magnetfält som kallas solvinden och stora moln av het plasma och strålning som kallas koronala massutstötningar. När detta solmaterial strömmar över rymden och träffar jordens magnetosfär, utrymmet som upptas av jordens magnetfält, den kan fastna och hållas i två munkformade bälten runt planeten som kallas Van Allen-bälten. Bälten hindrar partiklarna att färdas längs jordens magnetfältslinjer, studsar hela tiden fram och tillbaka från stolpe till stolpe. Det innersta bältet börjar cirka 400 miles från jordens yta, som håller sin partikelstrålning på ett bra avstånd från jorden och dess kretsande satelliter.

Dock, när en särskilt kraftig storm av partiklar från solen når jorden, Van Allen-bältena kan bli mycket spänningssatta och magnetfältet kan deformeras, låter de laddade partiklarna tränga in i atmosfären.

"Den observerade SAA kan också tolkas som en konsekvens av en försvagad dominans av dipolfältet i regionen, " sa Weijia Kuang, en geofysiker och matematiker i Goddard's Geodesy and Geophysics Laboratory. "Mer specifikt, ett lokaliserat fält med omvänd polaritet växer kraftigt i SAA-regionen, vilket gör fältintensiteten mycket svag, svagare än de omgivande regionerna."

En gropa i rymden

Även om den sydatlantiska anomalien uppstår från processer inuti jorden, det har effekter som når långt bortom jordens yta. Regionen kan vara farlig för satelliter med låg omloppsbana om jorden som färdas genom den. Om en satellit träffas av en högenergiproton, det kan kortsluta och orsaka en händelse som kallas single event upset eller SEU. Detta kan få satellitens funktion att tillfälligt misslyckas eller kan orsaka permanent skada om en nyckelkomponent träffas. För att undvika att tappa instrument eller en hel satellit, Operatörer stänger vanligtvis ned icke väsentliga komponenter när de passerar genom SAA. Verkligen, NASA:s Ionospheric Connection Explorer reser regelbundet genom regionen och därför håller uppdraget konstant koll på SAA:s position.

Den internationella rymdstationen, som är i låg omloppsbana om jorden, går också igenom SAA. Den är väl skyddad, och astronauter är säkra från skada när de är inne. Dock, ISS har andra passagerare som påverkas av de högre strålningsnivåerna:Instrument som Global Ecosystem Dynamics Investigation-uppdraget, eller GEDI, samla in data från olika positioner på utsidan av ISS. SAA orsakar "blips" på GEDI:s detektorer och återställer instrumentets strömkort ungefär en gång i månaden, sa Bryan Blair, uppdragets biträdande huvudutredare och instrumentvetare, och en lidar-instrumentforskare vid Goddard.

"Dessa händelser orsakar ingen skada för GEDI, ", sa Blair. "Detektorblipsen är sällsynta jämfört med antalet laserskott - ungefär ett blip på en miljon skott - och återställningslinjehändelsen orsakar ett par timmars förlorad data, men det händer bara varje månad eller så."

Förutom att mäta SAA:s magnetiska fältstyrka, NASA-forskare har också studerat partikelstrålningen i regionen med Solar, Anomal, och magnetosfärisk partikelutforskare, eller SAMPEX – det första av NASA:s Small Explorer-uppdrag, lanserades 1992 och ger observationer fram till 2012. En studie, ledd av NASA heliofysiker Ashley Greeley som en del av hennes doktorsavhandling, använde två decennier av data från SAMPEX för att visa att SAA sakta men stadigt driver i nordvästlig riktning. Resultaten hjälpte till att bekräfta modeller skapade från geomagnetiska mätningar och visade hur SAA:s läge förändras när det geomagnetiska fältet utvecklas.

"Dessa partiklar är intimt förknippade med magnetfältet, som styr deras rörelser, " sa Shri Kanekal, en forskare vid Heliosfärfysiklaboratoriet vid NASA Goddard. "Därför, all kunskap om partiklar ger dig information om det geomagnetiska fältet också."

Greeleys resultat, publicerad i tidskriften Space Weather, kunde också ge en tydlig bild av typen och mängden partikelstrålningssatelliter som tar emot när de passerar genom SAA, som betonade behovet av fortsatt övervakning i regionen.

Informationen som Greeley och hennes medarbetare fick från SAMPEX:s mätningar på plats har också varit användbar för satellitdesign. Ingenjörer för den låga jordens omloppsbana, eller LEO, satellit använde resultaten för att designa system som skulle förhindra att en latch-up-händelse orsakar fel eller förlust av rymdfarkosten.

Modellera en säkrare framtid för satelliter

För att förstå hur SAA förändras och för att förbereda sig för framtida hot mot satelliter och instrument, Sabaka, Kuang och deras kollegor använder observationer och fysik för att bidra till globala modeller av jordens magnetfält.

Teamet bedömer det aktuella tillståndet för magnetfältet med hjälp av data från European Space Agencys Swarm-konstellation, tidigare uppdrag från byråer runt om i världen, och markmätningar. Sabakas team river isär observationsdata för att separera källan innan de skickar dem vidare till Kuangs team. De kombinerar sorterad data från Sabakas team med deras kärndynamikmodell för att förutsäga geomagnetisk sekulär variation (snabba förändringar i magnetfältet) in i framtiden.

Geodynamo-modellerna är unika i sin förmåga att använda kärnfysik för att skapa nära framtida prognoser, sa Andrew Tangborn, en matematiker i Goddards Planetary Geodynamik Laboratory.

"Detta liknar hur väderprognoser produceras, men vi arbetar med mycket längre tidsskalor, ", sa han. "Detta är den grundläggande skillnaden mellan vad vi gör på Goddard och de flesta andra forskargrupper som modellerar förändringar i jordens magnetfält."

En sådan applikation som Sabaka och Kuang har bidragit till är International Geomagnetic Reference Field, eller IGRF. Används för en mängd forskning från kärnan till atmosfärens gränser, IGRF är en samling kandidatmodeller gjorda av världsomspännande forskarlag som beskriver jordens magnetfält och spårar hur det förändras med tiden.

"Även om SAA går långsamt, det går igenom en förändring i morfologi, så det är också viktigt att vi fortsätter att observera det genom att ha fortsatta uppdrag, Sabaka sa. "För att det är det som hjälper oss att göra modeller och förutsägelser."

Det föränderliga SAA ger forskare nya möjligheter att förstå jordens kärna, och hur dess dynamik påverkar andra aspekter av jordsystemet, sa Kuang. Genom att spåra denna långsamt utvecklande "buckla" i magnetfältet, forskare kan bättre förstå hur vår planet förändras och hjälpa till att förbereda sig för en säkrare framtid för satelliter.