یک نقطه ضعف عظیم در میدان مغناطیسی زمین در حال گسترش است و دانشمندان نگرانند
این می‌تواند خبر بدی برای ماهواره‌ها و فضانوردان باشد.
یک نقطه ضعف در میدان مغناطیسی محافظ زمین در حال گسترش است و ماهواره‌ها و فضانوردان در مدار را در معرض تابش خورشیدی بیشتری قرار می‌دهد؛ این نتیجه‌گیری بر پایهٔ بیش از یک دههٔ اندازه‌گیری توسط سه رصدخانهٔ مداری است.
مشاهدات حاصل از سه ماهوارهٔ Swarm سازمان فضایی اروپا نشان داد که میدان مغناطیسی نسبتاً ضعیف زمین بر فراز اقیانوس جنوب آتلانتیک—منطقه‌ای که به نام ناهنجاری جنوب آتلانتیک (SAA) شناخته می‌شود—دگرگون می‌شود و از سال ۲۰۱۴ مساحت آن به اندازهٔ نیمی از قارهٔ اروپا افزایش یافته است. همزمان، ناحیه‌ای در کانادا که میدان مغناطیسی‌اش به‌خصوص قوی است، کوچک‌تر شده، در حالی که ناحیهٔ دیگری با میدان قوی در سیبری گسترش یافته است، همان‌طور که اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند.
«منطقهٔ میدان مغناطیسی ضعیف در جنوب آتلانتیک در طول ۱۱ سال گذشته از زمان پرتاب ماهوارهٔ Swarm به‌صورت پیوسته گسترش یافته است»، کریس فینلی، پژوهشگر ژئومغناطیس در دانشگاه فنی دانمارک (Danmarks Tekniske Universitet) توضیح داد.
«اگرچه گسترش آن بر پایهٔ مشاهدات اولیه پیش‌بینی شده بود، مهم است تأیید کنیم که این تغییر در میدان مغناطیسی زمین همچنان ادامه دارد». فینلی نویسندهٔ اصلی مطالعه‌ای جدید است که در مجلهٔ «Physics of the Earth and Planetary Interiors» منتشر شده و داده‌های ماهواره‌های Swarm را تجزیه و تحلیل می‌کند.
میدان ژئومغناطیسی
سه ماهواره در سال ۲۰۱۴ به‌منظور نظارت دقیق بر سیگنال‌های مغناطیسی از هسته و لایهٔ مانتل زمین، همچنین از یونوسفر و مغناطیس‌فضا (مگنتوسفر) به‌کار گرفته شدند. میدان مغناطیسی زمین (به‌صورت فنی «میدان ژئومغناطیسی» نامیده می‌شود) تصور می‌شود که توسط هستهٔ چرخان حاوی آهن مذاب، تقریباً ۲٫۹۰۰ کیلومتری (یا ۱٬۸۰۰ مایلی) زیر سطح ما تولید می‌شود. با این حال، شدت این میدان به‌طور مداوم تغییر می‌کند و دانشمندان هنوز در حال کشف مکانیزم‌های دقیق آن هستند.
میدان ژئومغناطیسی از حیات بر سطح زمین در برابر ذرات باردار مضر تابش خورشیدی محافظت می‌کند. می‌توانیم اثرات ذرات باردار خورشید که با میدان ژئومغناطیسی تعامل می‌کنند، در لایهٔ بالایی جو هنگام پدیده‌های شفق‌زنده‌ای نظیر شفق‌های قطبی شمالی مشاهده کنیم.
از آنجا که این میدان به فضا امتداد دارد، ژئومغناطیس نیز از سازه‌های مداری، شامل اکثر ماهواره‌ها و ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) محافظت می‌کند. اما نویسندگان این مطالعه هشدار می‌دهند که فضاپیماها و فضانوردانی که در طول مدار خود به نقطهٔ ضعف جنوب آتلانتیک می‌رسند، ممکن است در معرض تابش بیشتری قرار گیرند.
برای سخت‌افزار فضاپیماها، این تابش می‌تواند منجر به اختلالات بیشتر، آسیب یا حتی خاموشی‌ها شود. فینلی گفت: «عسکری اصلی این مسأله، زیرساخت ماهواره‌های مدار پایین زمین است. این ماهواره‌ها در زمان عبور از ناحیهٔ میدان ضعیف، با نرخ بالاتری از ذرات باردار مواجه می‌شوند که می‌تواند برای الکترونیک مشکلاتی ایجاد کند.»
خطر برای فضانوردان
افراد در مدار نیز با خطرات بیشتری از تابش مواجه خواهند شد، از جمله احتمال بالاتر آسیب به DNA و ابتلا به سرطان در طول عمرشان. فینلی گفت: «فضانوردان نیز این ذرات باردار را تجربه می‌کنند، اما مدت زمان حضورشان در مدار کوتاه‌تر از طول عمر اکثر ماهواره‌های مدار پایین زمین است». (به‌طور متوسط، فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی حدود شش ماه در مدار پایین زمین می‌گذرانند، در حالی که ماهواره‌ها معمولاً بیش از پنج سال در آن مدار می‌مانند—حدوداً ده برابر طول مدت.)
میدان ژئومغناطیسی نسبت به سایر اشکال رایج مغناطیس ضعیف‌تر است: شدت آن بین تقریباً ۲۲٬۰۰۰ تا ۶۷٬۰۰۰ نانو‌تسلا متغیر است. در مقایسه، یک آهن‌ریسک یخچالی معمولی حدود ۱۰ میلیون نانو‌تسلا شدت دارد.
در ناحیهٔ SAA (ناهنجاری جنوب آتلانتیک)، شدت میدان ژئومغناطیسی کمتر از ۲۶٬۰۰۰ نانو‌تسلا است. بر اساس این مطالعه، مساحت این ناحیه تقریباً ۱٪ از سطح زمین از سال ۲۰۱۴ به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است. ضعیف‌ترین نقطه در SAA اکنون ۲۲٬۰۹۴ نانو‌تسلا را نشان می‌دهد؛ که نسبت به سال ۲۰۱۴، ۳۳۶ نانو‌تسلا کاهش یافته است.
در ناحیهٔ میدان قدرتمند ژئومغناطیسی بر فراز شمال کانادا، شدت بیش از ۵۷٬۰۰۰ نانو‌تسلا است. این مطالعه نشان داد که مساحت این ناحیه ۰٫۶۵٪ از سطح زمین کاهش یافته، در حالی که قوی‌ترین نقطه‌ی آن به ۵۸٬031 نانو‌تسلا سقوط کرده است؛ که نسبت به سال ۲۰۱۴، ۸۰۱ نانو‌تسلا کاهش دارد. برعکس، ناحیهٔ میدان قوی در سیبری گسترش یافته است؛ مساحت آن ۰٫۴۲٪ از سطح زمین افزوده شده و حداکثر شدت میدان از ۲۰۱۴ تا کنون ۲۶۰ نانو‌تسلا افزایش یافته و امروز به ۶۱٬۶۱۹ نانو‌تسلا رسیده است.
این تغییرات در نیم‌سفر شمالی غیرمنتظره بودند، فینلی گفت. «این مربوط به الگوهای گردش فلز مایع در هسته است، اما هنوز علت دقیق آن را نمی‌دانیم.»
با این حال، این مطالعه نشانه‌ای از وارون شدن نزدیک میدان مغناطیسی پیدا نکرد. میدان مغناطیسی زمین قبلاً صدها بار وارون شده است، اما فینلی گفت: «از سوابق پالیومغناطیسی می‌دانیم که میدان مغناطیسی زمین در گذشته بارها تضعیف شده است؛ اما با وجود نواحی ضعیف مانند ناهنجاری جنوب آتلانتیک، وارون نشده است.» «به‌نظر می‌رسد که ما در حال مشاهده نوسان در مقیاس دهه تا قرن زمانی میدان هستیم.»
فضاپیماهای «سخت‌سازی» شده
فینلی گفت: «خطر افزایشی تابش خورشیدی برای ماهواره‌ها و فضانوردانی که از ناحیهٔ SAA عبور می‌کنند، می‌تواند با اطمینان از اینکه فضاپیماها «سخت‌سازی» شده‌اند تا در مقابل این تابش مقاومت کنند، کاهش یابد. چون ضعف این ناحیه در حال گسترش است، ماهواره‌ها این اثرات را در مساحتی بزرگ‌تر تجربه خواهند کرد؛ بنابراین این موضوع باید در طراحی مأموریت‌های آینده مدنظر قرار گیرد.»
هگای آمیت، زمین‌فیزیک‌دان دانشگاه نانته در فرانسه که در این مطالعه جدید مشارکت نداشته اما سعی در بررسی ناهنجاری SAA داشته است، اشاره کرد که چندین دانشمند علل ممکن برای تغییرات مشاهده‌شده در میدان ژئومغناطیسی را پیشنهاده‌اند، اما مکانیسم‌های دقیق هنوز ناشناخته‌اند. او در ایمیلی به ایوز گفت: «به‌طور کلی، نویسندگان به طور قانع‌کننده نشان داده‌اند که اندازه‌گیری‌های مستمر و با کیفیت بالا از میدان ژئومغناطیسی برای فراهم‌کردن بینش‌های حیاتی دربارهٔ پویایی‌های اعماق زمین ضروری است.»
این مقاله در اصل در مجله EOS منتشر شد.