Strålande norrsken fångas över Yukon, Kanada, under en geomagnetisk storm. Kredit:Joseph Bradley
Bortom jordens atmosfär finns virvlande moln av energisatta partiklar – joner och elektroner – som kommer från solen. Denna "solvind" slår emot magnetosfären, det magnetiska kraftfältet som omger jorden.
På ungefär samma sätt skapar vindar och stormar väder i vår atmosfär, Starka vindbyar av solvind som tränger igenom magnetosfären kan generera magnetiska stormar med kraftfulla elektriska strömmar som kan påverka våra liv.
En ny studie av NASA THEMIS uppdragsteam - ledd av Vassilis Angelopoulos, en UCLA-professor i rymdfysik – är den första som visar att sådana stormar kan ha sitt ursprung mycket närmare jorden än man tidigare trott, överlappar banorna för kritiskt väder, kommunikation och GPS-satelliter. Teamets resultat publiceras i tidskriften Naturfysik .
Magnetiska stormar kan producera bländande norrsken eller farliga partiklar som vänder sig mot rymdfarkoster och astronauter, sätta dem ur drift. Under vissa förutsättningar, magnetiska stormar kan inaktivera elnätet, stör radiokommunikation och korroderar rörledningar, till och med skapa extrema norrsken som är synliga nära ekvatorn.
"Genom att studera magnetosfären, vi förbättrar våra chanser att hantera den största faran för mänskligheten när vi ger oss ut i rymden:stormar som drivs av solen, sa Angelopoulos.
En incident som illustrerar den dramatiska kraften hos magnetiska stormar inträffade 1921, när en sådan storm störde telegrafkommunikationen och orsakade strömavbrott som resulterade i att en tågstation i New York City brann ner till grunden. Och 1972 missade astronauterna Apollo 16 och 17 knappt vad som kunde ha varit ett dödligt solutbrott. Dessa incidenter understryker de potentiella farorna som bör bedömas när fler människor vågar sig in i omloppsbana. Om en liknande storm inträffade idag, en separat studie uppskattad, ekonomiska förluster i USA på grund av strömavbrott kan bara överstiga 40 miljarder dollar om dagen.
Jordens magnetosfär under en magnetisk storm. Till höger, tre satelliter bevittnade återuppkoppling nära geosynkron bana där många andra kritiska satelliter finns. Det röda "X" identifierar återanslutningsplatsen, och de gula pilarna indikerar riktningen för explosiva utflöden av strömsatta partiklar mot och bort från jorden. Jordriktade elektroner (visade i rött och rosa) bär energi längs magnetiska fältlinjer för att driva norrskenet vid jordens nord- och sydpoler. Dessa strömförsörjda elektroner upptäcktes av en vädersatellit (mitten). Kredit:Emmanuel Masongsong/UCLA
Hur elektriska strömmar i rymden påverkar norrsken och magnetiska stormar har länge diskuterats i rymdfysikgemenskapen. Eftersom stormarna inträffar så sällan och satellittäckningen är sparsam, det har varit svårt för forskare att upptäcka den dynamiska process som driver dessa stormar.
När solvindens magnetiska energi överförs till magnetosfären, den byggs upp tills den omvandlas till värme och partikelacceleration genom en process som kallas magnetisk återkoppling. Efter decennier av studier, det är fortfarande oklart för forskare var exakt magnetisk återkoppling sker under stormar.
Nyligen genomförda observationer av flera satelliter har visat att magnetiska stormar kan initieras genom magnetisk återkoppling mycket närmare jorden än vad man tidigare trott var möjligt. De tre NASA THEMIS-satelliterna observerade magnetisk återkoppling endast cirka tre till fyra jorddiametrar bort. Forskarna förväntade sig inte att detta kunde hända i den jämförelsevis stabila magnetfältskonfigurationen nära jorden.
Senare, en vädersatellit, som var närmare jorden i geostationär bana, detekterade strömsatta partiklar associerade med magnetiska stormar.
Vädersatelliten bevisade att denna jordnära återkoppling stimulerade jon- och elektronacceleration till höga energier, utgör en fara för hundratals satelliter som verkar i denna gemensamma omloppsbana. Sådana partiklar kan skada elektronik och mänskligt DNA, ökar risken för strålförgiftning och cancer för astronauter. Vissa partiklar kan till och med komma in i atmosfären och påverka flygpassagerare.
"Endast med sådana direkta mätningar av magnetisk återkoppling och dess resulterande energiflöden kunde vi på ett övertygande sätt bevisa en sådan oväntad mekanism för stormkraftsgenerering, sa Angelopoulos, som är huvudförfattare till tidningen. "Fånga denna sällsynta händelse, närmare jorden än någonsin upptäckts tidigare, tvingar oss att revidera tidigare antaganden om återanslutningsprocessen."
Denna upptäckt kommer i slutändan att hjälpa forskare att förfina prediktiva modeller av hur magnetosfären reagerar på solvind, ger värdefulla extra timmar eller till och med dagar för att förbereda satelliter, astronauter och energinätet för nästa "stora" i rymden.
