Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 39 – vyšlo 8. prosince, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2017

Swarm – od honu na Steva až po přepólování Země

Rudolf Mentzl

Kdesi v hloubce kolem tří tisíc kilometrů pod zemským povrchem teče v obrovských tocích roztavená hornina. Jsou to mohutné řeky magmatu, bohatého na kovy, obkružující celou Zemi, které s sebou unášejí také elektrický náboj, čímž se obyčejný proud hmoty doslova mění na proud elektrický generující magnetické pole. Tento jev nazýváme tekutinové dynamoMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů..

Při pohledu na střelku kompasu, která musí být pečlivě vyvážená, aby ji magnetické pole Země vůbec dokázalo vychýlit, se může zdát, že takhle malá síla může mít na náš život jen pramalý vliv. Přitom právě magnetické pole umožňuje život právě takový, jak ho známe. Magnetický štít obepínající celou zeměkouli neustále odklání nebezpečnou radiaci slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. a kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. a dovoluje, aby jen část pronikla v oblastech pólů do zemské atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. a vytvořila neškodnou podívanou zvanou polární záře.

Magnetosféra Země tvoří přirozený ochranný štít, jehož tvar je formovaný
slunečním větrem. Zdroj: NASA.

Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. Sluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. MHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů. Slapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. Swarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot. CHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload, malá německá družice z roku 2000 určená pro výzkum atmosféry a ionosféry z nízké oběžné dráhy. Připravila ji společnost Astrium. Po deseti letech provozu shořela v roce 2010 v zemské atmosféře. Startovala z ruského kosmodromu Pleseck. Jejími následovníky byly družice GRACE a GOCE.

Slaná voda

V posledních letech magnetické pole Země stále více využívají vědci k prozkoumání jejího nitra. V bulletinu AB 39/2016 jsme přinesli informaci o trojici družic SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot., nesoucích tak jemné detektory magnetického pole, že byly schopny zaznamenat i vliv slapových jevůSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. na magnetické pole Země. Slapové jevy mají na svědomí neustálé přesuny mas oceánské slané vody. Slaná voda je elektricky vodivá, mluvíme zde tedy o pohybu vodiče v magnetickém poli, na kterém se indukuje elektrické napětí. Toto napětí a následný elektrický proud jsou velice obtížně měřitelné, ale prozradí se svým magnetickým polem, které se skládá s původním magnetickým polem tekutinového dynama a způsobuje v něm drobné vady na kráse. Právě tyto fluktuace magnetického pole zachytila flotila družic Swarm.

Trojice družic Swarm. Zdroj: ESA..

Desková tektonika

Analýzou magnetického pole se vědci dokáží podívat i do značné hloubky pod povrch Země. Jakákoli náhlá změna vodivosti se musí na magnetickém poli projevit. To má dalekosáhlý význam při zkoumání zemské tektoniky, protože právě na rozhraní pevné kůry a plastického podloží v hloubce cca 70 km k takovému skoku dochází. Z poruch magnetického pole naměřeného družicemi SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot. a dřívějších pozorování německé družice CHAMPCHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload, malá německá družice z roku 2000 určená pro výzkum atmosféry a ionosféry z nízké oběžné dráhy. Připravila ji společnost Astrium. Po deseti letech provozu shořela v roce 2010 v zemské atmosféře. Startovala z ruského kosmodromu Pleseck. Jejími následovníky byly družice GRACE a GOCE. získáváme přehled o historii magnetického pole. Na styku kontinentálních desek dochází téměř neustále k výlevům magmatu. Když magma v širokých a dlouhých pásech tuhne, konzervuje v sobě i směr magnetického pole. Citlivé přístroje družic dokáží i tyhle slabé stopy zaznamenat a podle spolehlivosti dalších údajů pak získáváme informace o tom, jak bylo kdysi magnetické pole orientováno nebo naopak, kudy se ubíral kontinentální drift.

Magnetické anomálie podél některých zlomů. Barevná škála znázorňuje
odchylky pole od střední hodnoty v nanoteslách. Zdroj: ESA.

Video zobrazuje magnetické anomálie v litosféře Země. Dobře jsou patrné v místech
kolem tektonických zlomů mezi kontinenty

Blíží se přepólování?

Asi nejvýznamnějším a mediálně vděčným zjištěním je potvrzení slábnoucího magnetického pole Země. Pole slábne asi desetkrát rychleji, než byly původní předpovědi. Nyní máme k dispozici přesná data a ukazuje se, že k největšímu oslabení došlo od roku 1999 v Severní Americe (o 3.5 %), naproti tomu v Asii došlo k zesílení pole o 2 %. To je v dobrém souladu s putujícím magnetickým pólem, který již opustil americký kontinent a blíží se k Sibiři. Nejslabší místo magnetického pole nad Jižní Amerikou současně migruje na západ. Příčinu vědci nalezli hluboko pod zemí. Náhlé skoky v síle magnetického pole se dají vysvětlit zrychlením cirkulace roztaveného kovu ve vnějším jádru planety. Zatím jsou pozorování příliš krátká na radikální závěry, ale spolu s dalšími indiciemi se nabízí vysvětlení, že se Země chystá na další přepólování. Jakkoli zní takový scénář děsivě, není třeba panikařit. Naposledy k tomu došlo před necelými osmi sty tisíci lety, tedy v době kamenné. Magnetické pole nezmizí, pouze se mění jeho vzhled a nadále chrání Zemi před sprškami kosmického záření a slunečním větrem. Tekutinové dynamo je proměnlivý systém, z povahy věci plyne a dá se matematicky dokázat, že k přepólování občas dojít musí. Potěšující je, že jsou tyto mechanizmy ukryty hluboko pod povrchem zemským a nelze proti nim bojovat ani na mezinárodní úrovni vypisováním kvót a sankcí za magnetické znečištění.

Další objevy

K dalším úspěchům družic Swarm patří například objev magnetické anomálie poblíž hlavního města Středoafrické republiky Bangui. Příčina anomálie není dosud rozluštěna, zatím se zdá pravděpodobné, že je to památka na dopad meteoritu před půl miliardou let.

Magnetická anomálie Bangui. Zdroj: ESA.

Změny v magnetosféře samozřejmě odrážejí nejenom procesy hluboko pod zemskou kůrou, ale i na hranicích kosmického prostoru. Dlouhou dobu zaměstnával odborníky na polární záři zvláštní fialový pruh, který tam podle všeho neměl být. Fenomén dostal pracovní jméno Steve. Družice Swarm odhalila prozaické vysvětlení, atypická polární záře souvisí s rychlým atmosférickým proudem zahřátým na vysokou teplotu. Konkrétně družice Swarm totiž v oblasti atypické polární záře ve výšce 300 kilometrů detekovala tok vzdušné masy, který měl teplotu 3 000 °C, šířku 25 kilometrů a rychlost proudění 6 km/s západním směrem (okolí mělo rychlost jen 10 m/s). Původ takových toků není zatím znám, ale ukázalo se, že jde o dosti častý jev. Družice Swarm v posledním období výraznou měrou přispívají k pochopení dějů v magnetosféře a po čtvěřici družic Cluster jde opět o formaci družic, která nad našimi hlavami otevírá novou éru výzkumu magnetosféry Země.

Steve – atypická polární záře ve tvaru ostrého fialového,pruhu.
Zdroj: ESA/Dave Markel Photography.

Odkazy