Jihoatlantická anomálie vnitřního radiačního pásu Země

Ze Slunce i z dalekého vesmíru dopadají na Zemi ionizující částice různých energií. Nabité částice jsou zachycovány a urychlovány magnetickým polem Země a vytvářejí radiační pásy – oblasti s vyšší úrovní radiace. Tyto pásy, známé též jako Van Allenovy, rozlišujeme dva, a to vnitřní a vnější (viz obr. 2). Vnitřní pás je primárně složen z protonů a elektronů a nachází se ve výškách od 1600 do 12 900 km nad povrchem Země. Vnější pás se skládá převážně z elektronů a nacházíme jej ve výškách od 19 do více než 40 tisíc km. Nebudeme se zabývat detaily pohybu nabitých částic, omezme se jen na konstatování, že „šíření slunečního větru směrem k Zemi stojí v cestě překážka – geomagnetické pole. […] Magnetická překážka však není pevné těleso, a proto se vlivem působení slunečního větru deformuje.“ (viz J. Šafránková et al., Vesmír 91, 492, 2012/9). Ve vnějších vrstvách jsou tvar i rozloha radiačních pásů ovlivněny slunečním větrem. Je rovněž třeba podotknout, že střed magnetosféry se neshoduje se středem Země a také osa magnetického pole se neshoduje s osou rotace Země. Střed magnetického pólu je posunut vzhledem k zemskému středu o zhruba 500 km ve směru na Singapur a magnetická osa vzhledem k rotační ose Země je odchýlena o zhruba 11°. Tyto jevy mají za následek přiblížení vnitřního radiačního pásu k Zemi na jedné straně naší planety (v oblasti nad jižním Atlantikem u pobřeží Brazílie). Tím se intenzita a složení radiace v dané výšce naruší a vzniká oblast pojmenovaná jihoatlantická anomálie.

Složení a rozsah jihoatlantické anomálie

Anomálie je charakterizována jako oblast vyšší atmosféry se slabším magnetickým polem a zvýšenou intenzitou radiace (až o několik řádů větší než na jiných místech Země ve stejné výšce). Oblast vzniká ve výšce již od 200 km. Složení radiace v anomálii odpovídá vnitřnímu radiačnímu pásu Země – tj. tvoří ji zejména protony a elektrony, mnohem méně se vyskytují i těžší nabité částice (z nich zejména alfa částice). Střed anomálie se nachází v současnosti nad jižním Atlantikem u pobřeží Brazílie. Její rozloha se rozpíná s rostoucí výškou. Např. při výšce 800 km jsou okraje anomálie vzdálené téměř 150° zeměpisné délky (od cca 110° západní do cca 40° východní délky) a až 60° zeměpisné šířky (od cca 10° severní do cca 50° jižní šířky).

Fluktuace a migrace jihoatlantické anomálie

Samotná existence anomálie je v důsledku její interakce s kosmickým zářením a slunečním větrem velice dynamickým jevem: její rozměry a struktura, rozložení a umístění, složení a intenzita radiace, síla magnetického pole atd. jsou časově proměnné. Jsou pozorovány jak dlouhodobé pozvolné změny v magnetosféře trvající několik let, tak i velmi rychlé změny v řádech dnů či hodin v důsledku nepravidelných a prudkých jevů kosmického počasí (např. geomagnetických bouří).

Je známo, že polohy severního i jižního magnetického pólu driftují. Magnetický severní pól, který putuje v rozsáhlé oblasti severní Kanady a Arktického moře, se za posledních sto let posunul o celkem 12° zeměpisné šířky a 15° zeměpisné délky, a to po nepřímočaré trajektorii. Obdobně se též posouvá anomálie včetně polohy jejího středu (tj. oblasti s nejslabším polem, a tudíž i s největší intenzitou radiace). V posledních desetiletích se střed posouvá směrem na západ rychlostí 0,1–1,0°/rok (průměrně 0,3°/rok) a směrem na sever rychlostí okolo 0,1°/rok. Geomagnetické modely Země ukazují, že tato driftová rychlost středu jihoatlantické anomálie se shoduje s rozdílem rotace jádra Země vůči jejímu povrchu. Tato rychlost je odhadována v rozmezí 0,3° až 0,5°/rok.

Radiační pásy a SAA: geomagnetismus, kosmické počasí a sluneční bouře

Procesy, které probíhají v zemské magnetosféře při průletu částic různých energií, nejsou zatím dostatečně prozkoumány a vyžadují přesnější měření, pokud možno včetně kontinuálního monitorování, a to v různých zeměpisných šířkách a také v různých výškách v atmosféře. Požadované informace mají podobu složení, toku, spektra a směru příchodu energetických částic včetně jejich časové a prostorové změny. Ačkoli družic na oběžných drahách kolem Země je dnes okolo tisíce, detektory kosmického záření z nich nese jen nepatrný zlomek.

Kromě samotného vědeckého bádání má měření a monitorování radiace na oběžné dráze družic v oblasti anomálie velký význam také při studiu efektů radiace na přístroje družic a při radiační ochraně pilotovaných kosmických lodí obíhajících i v nízkých výškách. Posuzují se a sledují se možné účinky na elektronická zařízení na družicích a na zdraví posádek pilotovaných misí. Při průchodu anomálií dostávají přístroje i posádky zvýšené dávky záření, které můžou lokálně i o několik řádů převýšit úroveň radiace v oblastech mimo anomálii. Hubblův vesmírný teleskop, jenž je umístěn na oběžné dráze ve výšce 660 km, je při každém průchodu anomálií záměrně vypínán kvůli ochraně citlivých součástek. Obdobně mezinárodní vesmírná stanice ISS, jež obíhá na dráze ve výšce okolo 400 km a prochází anomálií několikrát za den, musí být vybavena silným radiačním stíněním. Zvýšené dávky nastávají sice lokálně a krátkodobě, nicméně se dlouhodobě sčítají. ISS tráví až 15 % svého celkového času v oblasti anomálie.

Vedle těchto nepříznivých efektů existují další nepravidelné vlivy extrémního kosmického počasí na Zemi. Zejména energetické geomagnetické bouře mohou negativně ovlivnit i zcela poškodit systémy na Zemi nebo v atmosféře. Např. GPS síť může postihnout zhoršení signálu a snížení prostorového rozlišení i o několik řádů (důsledkem narušení ionosféry a zkreslením průchodu signálu z a do družic GPS). Nebo samotné řízení družic může trpět narušením navigace a orientace, radiačním poškozením elektronických součástí a nežádoucím elektrostatickým nabíjením. Geomagnetické bouře mohou ohřát vnější atmosféru a tím ji rozpínat, což vede k vyššímu tření, a tím k vyššímu brzdění družic. Komunikace letadel může být též narušena, a to zejména v oblasti okolo zeměpisných pólů, kde vysokofrekvenční komunikační vlny mohou být rušeny či dokonce zcela odstíněny. Dalším následkem může být také interference v přenosové síti elektrického vedení a následná indukce geomagnetických elektrických proudů v dlouhých vodičích (hrozí především poškození transformátorů elektrického vedení, viz s. 692).

Na druhou stranu mohou být důsledky geomagnetických bouří neškodné, dokonce působit umělecky, jako třeba polární záře (aurory) ve vyšších vrstvách atmosféry.

Autor děkuje svým spolupracovníkům projektu SATRAM: Š. Polanskému, S. Pospíšilovi, Z. Vykydalovi a D. Turečkovi (ÚTEF ČVUT v Praze), A. Owensovi, K. Mellabovi a P. Nieminenovi (ESTEC ESA, Nizozemí) a M. Simčákovi, Z. Dvořákovi, Z. Kozáčkovi, J. Marešovi a P. Váňovi (CSRC Brno). Děkuji prof. Z. Janoutovi, J. Bergerovi a Š. Polanskému z ÚTEF ČVUT za připomínky a jazykovou korekturu. Projekt SATRAM byl financován grantem č. 4000105089/11/NL/CBi (641-120004M) z Evropské kosmické agentury ESA.