A gyengülő pajzs - anyag anyag
A föld mágneses tere még mindig elég erős ahhoz, hogy megvédjen minket az űr időjárási nehézségeitől. De meddig? A több évtizedes munka során elvégzett méréssorozatok azt mutatják: A védőpajzs folyamatosan veszít erejéből. A kutatók Brandenburg tartományba mennek, hogy megtudják, mi folyik itt.
Niemegk Potsdam közelében, júliusban. A nap kellemes meleget terjeszt, semmi sem utal arra, hogy harcot folytatna a magasan felettünk lévő föld ellen. A tücskök a brandenburgi kisváros előtt egy mezőn csiripelnek, a repce várja a betakarítást, a szilva és a bodza megérett az út szélén. Távolról az A9 zaja hallatszik. Egy ritka fenyvesben egy épületegyüttes omladozik, ami nagyon hasonlít az NDK üdülőhelyére. Valójában itt kutatják azt a létfontosságú védő bolygópajzsot, amely megvédi a földet a kozmikus nehézségektől: napviharok és egyéb lövedékek a mély űrből.
A tudósok 85 éve mérik itt a föld mágneses terét, és az Adolf Schmidt Obszervatórium Németország első megszólítása ebben a tudományágban. Egy vezető kutatóközpont valószínűleg látványosabb. Több csúcstechnika. De itt a méréseket két feltűnő faépületben végzik.
Az ezekből a kaszárnyákból származó adatok annál is fontosabbak, a világon alig van olyan állomás, amely ennyire pontosan mérhető lenne. A Niemegk és a világ mintegy 200 más mágneses tér-megfigyelő központjának eredményei megerősítik, hogy bolygónk első védelmi vonala elveszíti az energiáját, mintegy tíz százalékkal, mióta 170 évvel ezelőtt megkezdődött a mágneses tér mérése. A legdrámaibb az a helyzet, amely Dél-Amerikától az Atlanti-óceánon át Dél-Afrikáig húzódik, és amelynek tudományos neve szinte betegségnek hangzik: a dél-atlanti anomália. Ott a föld mágneses tere nemcsak különösen gyenge, hanem gyorsabban is lebomlik, mint a globális átlag. És az érintett terület növekszik.
Lehetséges, hogy a föld csak most kezdi teljesen megfordítani a polaritást, mondja Korte Monika. Több mint tíz évig a geofizikus irányította a niemegki obszervatóriumot, amely a potsdami Német Földtudományi Kutatóközponthoz (GFZ) tartozik. Ma a GFZ "A Föld mágneses mezőjének hosszú távú változásai" munkacsoportját vezeti. A tudós elmagyarázza, hogy a föld mágneses pólusai átlagosan 500 000 évente cserélnek helyet. És az utolsó polaritásváltás körülbelül 780 000 évvel ezelőtt történt - tehát késni fogunk.
Mi történik pólusainkkal és kozmikus pajzsunkkal? Ennek kiderítése érdekében a potsdami Német Földtudományi Kutatóközpont tudósai Brandenburg tartományba hajtanak, ahol semmi sem befolyásolja a méréseiket. "A hibátlan adatok megszerzése érdekében ki kell zárni a torzító interferencia mezőket" - mondja Korte. Az elektromos S-Bahn vonattal rendelkező Berlin 70 km-re található. A gépkocsik csak az épülettől 100 méteren belül varrhatnak. A két mérőépület fából készült, minden ajtó illeszkedik, minden körmöt mágneses ártalmatlansága szempontjából meg kellett vizsgálni az építkezés előtt.
A két különleges épületet Variationshaus és Absoluthaus néven hívják. Az obszervatórium munkatársai csak akkor mennek a variációs házba, ahol folyamatosan mérnek 17,5 fokos állandó hőmérsékleten, amikor ez feltétlenül szükséges. - Ez szinte olyan, mint a reptér biztonsági ellenőrzése, ahol a legkisebb fém alkatrészek riasztást váltanak ki. Ha egy kulcscsomóval vagy egy fém övcsattal megy be, akkor azonnal látjuk a méréseken ”- mondja Korte. Még a behatoló testhőmérséklete is egyértelműen meghamisítaná az eredményeket.
A második fa kunyhóban, az Absoluthaus-ban a mágneses mezőt csak hetente egyszer mérik. És a mai napig kézzel a teodolittal, egy olyan eszközzel, amely kicsit hasonlít azokra az eszközökre, amelyeket a földmérők utakon és építési telkeken használnak. Kivéve, hogy ez a készülék nem egy összecsukható állványon áll, hanem egy körülbelül egy méter magas nyolcszögletű márványoszlopon, amely egy nehéz alaplapon nyugszik.
A mérés előtt Korténak ki kell nyitnia az ablakokat, amelyek Niemegk városára néznek. Egy kicsi, elforgatható távcsővel két jellegzetes, messziről látható épületet vesz célba, a víztornyot és a neogótikus városi templom tornyát. Mindkettő geodata milliméterenként ismert, akárcsak a teodolité. Korte így határozza meg az északi földrajzi helyet. Aztán elfordítja a mágneses tér érzékelőt, egyfajta rendkívül érzékeny iránytűt a távcsőön. Amíg merőleges az itt futó mágneses mező vonalakra. A földrajzi észak és az érzékelő közötti szögből meghatározza a mágneses mező pontos irányát Niemegkben.
Korte és munkatársai összehasonlítják ezeket az adatokat a Variationhaus méréssorozataival a hibák kiszámítása érdekében. A mérőműszerek jól védettek a Variációs Házban, de a hőmérséklet-ingadozások vagy az ingadozó talajvízszint könnyen meghamisíthatja az eredményeket.
A földmegfigyelő műholdak korában ez nagyon elavultnak hangzik - de a műholdak csak az alattuk lévő kis részt tudják mérni. Csak világszerte körülbelül 200 földi mérőállomás adatai alapján jön létre pontos kép a föld mágneses mezőjének állapotáról, amely megvéd minket a kozmikus bombázásoktól.
Leegyszerűsítve ez így működik: Ahol a föld mágneses tere erős, eltereli a részecske áramlását, amely folyamatosan a Napból és az univerzum mélyéből húzódik a föld felé. "A töltött részecskék párhuzamosan repülnek a mágneses mező vonalaival, és a föld körül vannak irányítva" - mondja Korte. Kivétel a sarki területek - itt a mágneses mező vonalai szinte függőlegesen kerülnek ki a földből, a másik mágneses pólusnál pedig visszavezetnek a földbe. Itt a részecskék a mágneses tér vonalai mentén behatolhatnak a légkörbe. Ott oxigénnel és nitrogénnel találkoznak, és ragyogásra ösztönzik őket, hasonlóan a fluoreszcens csőhöz: sarki fények.
De a nap újra és újra hatalmas kitörésekben a normálnál lényegesen több töltött részecskét dob az űrbe. Ha ilyen hatalmas részecskefront eléri a földet, geomágneses vihar támad: rossz időjárás az űrben. Ezután a földközeli űrből származó elektronok hatalmas mértékben felgyorsulnak, és erős elektromos mezőket generálnak a földön.
Ez különösen veszélyes lehet az elektromos és a kommunikációs hálózatokra. 1989-ben a geomágneses vihar a kanadai Quebec tartományban kilenc órán át megbénította az egész áramellátást. Különböző műholdak több órán keresztül nem voltak irányíthatók. Az ismert legerőszakosabb geomágneses vihar 1859-ben Carrington eseményként vonult be a történelembe. Akkor a kár korlátozott volt, mivel nem voltak olyan villamosenergia-hálózatok, amilyeneket ma ismerünk. A távíró hálózatot, a kommunikáció gerincét azonban erősen megütötték: árbocok szikráztak, az állomások kigyulladtak, az eszközökön dolgozó alkalmazottak pedig áramütést szenvedtek. A Munich Re biztosítótársaság alig 1 milliárd euróra becsüli az 1989-es kanadai áramkimaradás gazdasági kárát. A nagyon hálózatba kötött világunkban, a kommunikációs műholdak övével, egy Carrington-osztályú geomágneses vihar 2000-szer annyiba kerül. A NASA legalább egy tanulmánya 2009-ben erre a következtetésre jutott.
És a legtöbb szakértő egyetért abban, hogy egyre inkább szembesülünk az űr időjárásának hatásával. Az egyetlen nézeteltérés abban rejlik, hogy milyen formában: számíthatunk-e katasztrófákra, nagyarányú áramkimaradással, vagy marad-e látványos északi fény mellett olyan régiókban, ahol még soha nem látták őket?
Ennek a kérdésnek a megválaszolása érdekében olyan kutatók szeretnék megérteni, hogy Korte Monika, hogyan változik a Föld mágneses tere és hogyan mozognak a pólusok, ezek az átjárók a töltött részecskék számára. Milyen gyorsan fordul meg a föld? Az utolsó ilyen jellegű esemény mindössze 100 év múlva történhetett meg - jelentették tavaly olasz kutatók. „A polaritás megfordítása általában hosszabb ideig tart - mondja Korte -, valószínűleg több ezer évig. És ez feltehetően bonyolultabb struktúrát eredményez, több mezővel és több pólussal. "
Ami igazán elbűvöl a geomagnetizmusban, az az, hogy itt a föld felszínén végzett mérések segítségével következtetéseket vonhatunk le arról, hogy mi zajlik 3000 kilométer alatt a lábunk alatt.
Alig akar geofizikus elköteleződni. "Sajnos egyáltalán nem sejtjük, hogyan működik a polaritás megfordítása" - mondja Korte kollégája Hermann Lühr. "De ha az Atlanti-óceán déli részén a mágneses tér csökkenését nézzük, akkor ez egyértelmű jele annak, hogy ott már egy ellentétes mező keletkezik." Lühr ritkán lát pontos betekintést az atlanti déli anomáliába. Ő vezeti a GFZ európai Swarm műholdas missziójának német projektirodáját. A projektben a három egyforma Alpha, Bravo és Charlie műhold minden eddiginél pontosabban méri a Föld mágneses terét - és különösen az Atlanti-óceán déli részén található gyenge pontot.
2013 novembere óta naponta 15-szer körbejárták a földkerekséget, kettőt 462 kilométeres magasságban, a harmadik 510 kilométeren. Ebben a formációban először rögzíthetnek egy 3D-s képet a föld mágneses mezőjéről. Korte Monika és kollégái a GFZ-ben remélik, hogy a trió hatalmas mennyiségű tudást fog megszerezni. Az első, 2014 közepén közzétett Swarm-eredmények megerősítik, hogy a Föld mágneses tere összességében elveszíti erejét. Az adatok azonban azt is kimutatták, hogy a mágneses tér az olyan régiók mellett, mint például az Atlanti-óceán déli rendellenességei, amelyek jelentősen elveszítik erejét, még a helyi területeken is erősödhetnek - fontos információ, ha pontosabban meg akarjuk jósolni, hogy az űr időjárása hol fogja érezni magát, és hogyan.
A gyengülő dél-atlanti anomália például kevésbé pontos GPS-jelet ad a braziloknak. A részecske bombázás villamosabban tölti fel az ionoszférát, ami megzavarja a GPS műholdak jeleit. Az ISS nemzetközi űrállomás űrhajósai számára a dél-atlanti rendellenesség hatalmas további sugárterhelést jelent. Az űrben napi 650 mikroszeverz dózissal 100-szor nagyobb mennyiséget kapnak a föld felszínén. Közülük 200 mikroszivert a dél-atlanti rendellenességnek köszönhető, amelyet naponta hatszor repítenek át. A régión áthaladó hosszú távú repülések szintén magasabb szintű sugárzásnak vannak kitéve.
A biztonság kedvéért Monham egy speciális kommunikációs modult kapcsol ki az egyik Metop-műholdból, amikor az anomália bekövetkezik - kettő van a fedélzetén, és az anomália már végrehajtott egyet. Mások még szigorúbbak: A Hubble űrtávcső például teljesen kikapcsolja magát a megnövekedett sugárzási zónákban.
Az az erő, amellyel a részecskeáram a földet éri, a föld mágneses mezőjén végzett mérések grafikus megvalósításai alapján látható. Valójában úgy kell kinéznie, mint egy rúdmágnes: Az egyik végén a mágneses északi pólus, a mezővonalak előbukkannak, széles görbét írnak le, és a másik végén, a déli pólusban vezetnek vissza. Elvileg ez így van: Míg a pólusok mezővonalai szinte függőlegesen lépnek be és lépnek ki, és így szinte semmilyen védelmet nem nyújtanak, addig az Egyenlítőnél messzire nyúlnak a kozmoszba, és elhárítják a folyamatos tüzet. De a nap felé néző oldalon a mágneses mező erősen összenyomódik, míg az éjszakai oldalon messze terjed az űrbe, mint egy üstökös farka.
A tudósok képe e kavargó mező eredetéről sokkal kevésbé világos. Ha ezeket a kérdéseket felteszi Korte Monikának, az egyébként meglehetősen visszafogott nő elragadtatja magát. "Ami igazán elbűvöl a geomagnetizmusban, az az, hogy a föld felszínén végzett mérések lehetővé teszik a következtetések levonását arról, hogy mi zajlik 3000 kilométer alatt a lábunk alatt" - mondja. - Ehhez nincs közvetlen hozzáférése. Rakétákat küldhetünk az űrbe, és repülhetünk a Holdra. De valóban csak néhány kilométeren keresztül nézhetünk a földbe, fúrhatunk bele. Nem jutsz túl messzire. ”Az orosz Kola-félszigeten 1989-ben geológusokból álló csapat jó tizenkét kilométer.
Az általánosan elismert kutatási állapot szerint a föld mágneses mezőjének 95 százalékát a geodinamó hozza létre, ahogyan a földmagban lévő fémek kölcsönhatását nevezik: A belső mag, amely körülbelül 5000 Celsius fok körül van, felmelegíti a folyékony fémet a külső magban, és lehetővé teszi annak emelkedését. A távolság növekedésével lehűl és újra elsüllyed. Mivel az elektromosan vezető anyag a fémmel együtt mozog, az áramok áramlanak - és ezek mágneses teret generálnak.
A Föld mágneses mezőjének fennmaradó öt százaléka mágnesezett kőzetekből, a vezető sós víz mozgásából az óceánokban és a felső légkör mágneses mezőiből származik, amelyet a napszél hoz létre.
A geodinamó által generált fő mező csak nagyon lassan változik. A mágneses tér intenzitásának és irányának nagy és gyors ingadozása tehát fokozott naptevékenységre utal. A 2003. októberi úgynevezett Halloweeni napviharok is éreztették magukat Niemegkben. A mérőműszerek erőszakos ingadozása október 29-én, a kora reggeli órákban kezdődött és október 31-én délutánig folytatódott. A magnetométerek az egész világ obszervatóriumaiban őrültek meg.
Korte Monika lenéz, hogy megértse a mágneses teret. Bothmer az űrbe néz, hogy megértse azokat a veszélyeket, amelyektől megvéd minket. Az űrjárási idő általában kényelmetlen, de nem túl fenyegető: A látható fény mellett a nap UV- és röntgensugarak, protonok és elektronok, valamint héliumatomok keverékét bocsátja ki - a napszél. A kozmikus sugarakkal, a tér mélyéből származó nagy energiájú részecskékkel együtt behatol a földhöz közeli térbe. A napvihar teljesen más kérdés. A napfelszínen zajló bonyolult mágneses folyamatok miatt keletkezik, amelyek során központi csillagunk hirtelen hatalmas mennyiségű anyagot köhög fel. "Egy ilyen koronális tömeges kilökés néhány milliárd tonna anyagnak vagy más szóval egy egész Himalája hegynek felel meg" - mondja Volker Bothmer.
Ez az erősen felgyorsult anyagfelhő azonban csak akkor válik számunkra relevánssá, ha pontosan a Föld irányába repül. Szerencsére nem olyan könnyű eltalálni a napsütéstől: Ön szempontjából a bolygónk tíz méterről ugyanolyan nagynak tűnik számunkra, mint egy tűgomb. Az egyetlen probléma: a napnak korlátlan számú próbálkozása van arra, hogy eltaláljon minket.
Nem az a kérdés, hogy mikor, amikor egy ilyen szuper vihar újra eltalál minket.
Az űrhajózási szakértők számára egy dolog biztos: A Carrington esemény, a számunkra ismert legsúlyosabb ilyen típusú lövedék, nem marad elszigetelt esemény. "Nem az a kérdés, hogy akkor, amikor egy ilyen szuper vihar újra eltalál minket" - mondja Bothmer. Az egyetlen előrejelző szolgáltatást, amely megfelel a nevének, jelenleg a NOAA észak-amerikai időjárási szervezet Space Weather Prediction Center kínálja. Az Eumetsat-hoz hasonló műholdas szolgáltatók számára azonban még ez sem igazán hasznos. Megbízható figyelmeztetések gyakran csak akkor érkeznek, amikor a műholdas irányító központok repülési csapatai már nem képesek beavatkozni - mondja Andrew Monham, a Metop repülésvezetője. És egy műhold nem kapcsolható ki puszta gyanú alapján. Ennek ellenére az adatok hasznosak: visszatekintve a műholdak fedélzetén található szokatlan események felderítésére.
Bothmer ismeri ezt a problémát: "Az előrejelzés adatai eddig olyan tudományos műholdakról származnak, amelyeket nem folyamatos időjárási megfigyelésre terveztek." Az Affects uniós kutatási projektben (Advanced Forecast for Biztonságos kommunikáció az űrben) Bothmer más európai partnerekkel együtt fejleszt. Az űrjárási időjárási korai figyelmeztető rendszer prototípusa. Többek között információkat kell szolgáltatnia az új napsütéses tevékenységekről perceken belül okostelefonos alkalmazáson keresztül.
Sokkal többre van szükség egy operatív rendszerhez, amely éjjel-nappal megbízhatóan működik - mondja Bothmer. Nem csak műholdak, amelyeket kifejezetten ehhez a figyelmeztető rendszerhez kellene építeni, hanem új elemzési módszerek és modellszámítások is. Globálisan érvényes szabványok, amelyek szerint figyelmeztetéseket adnak ki. És a döntéshozók, akik világosan meghatározott intézkedésekkel reagálnak az ilyen figyelmeztetésekre.
Ez sok, ha figyelembe vesszük, hogy a Carrington esemény erejéből fakadó napvihar nagyon ritka. Pedig fontos a felkészültség - mondja Bothmer. „A hosszú távú áramkimaradás bizonyos területeken természetesen drámai következményekkel jár, a hálózati rendszer technológiájától függően. Láttad Fukushimában, hogy néha nem tudsz előre látni minden felmerülő kockázatot. "
Talán ilyenkor egy fából készült kunyhó a semmi közepén Brandenburgban lenne az egyik legbiztonságosabb hely. •