玛拉·约翰逊·格罗和杰西卡·默兹多夫，美国宇航局戈达德太空飞行中心 这种立体视觉显示了地球磁场的简单模型
磁场部分地保护地球免受来自太阳的有害带电粒子的影响
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心 地球磁场中一个微小但不断发展的凹痕会给卫星带来很大的麻烦
地球的磁场就像地球周围的保护屏障，排斥和捕获来自太阳的带电粒子
但是在南美洲和南大西洋上空，一个被称为南大西洋异常或SAA的异常薄弱点使得这些粒子比正常情况下更接近地表
该地区的粒子辐射会破坏机载计算机，干扰通过它的卫星的数据收集——这是美国宇航局科学家想跟踪和研究异常现象的关键原因
美国国家航空航天局的地球科学家也对南大西洋异常感兴趣，他们监测那里磁场强度的变化，不仅是因为这些变化如何影响地球大气层，也是地球深处地球磁场发生变化的一个指标
目前，SAA对地表的日常生活没有产生明显的影响
然而，最近的观察和预测表明，该地区正在向西扩张，强度继续减弱
它也在分裂——最近的数据显示，异常的谷或最小场强区域已经分裂成两个波瓣，给卫星任务带来了额外的挑战
美国国家航空航天局的地磁、地球物理和太阳物理研究小组的许多科学家对SAA进行观察和建模，以监测和预测未来的变化，并帮助准备未来对太空中的卫星和人类的挑战
重要的是里面的东西 南大西洋异常现象源于地核的两个特征:地核磁轴的倾斜和地核外熔融金属的流动
地球有点像条形磁铁，北极和南极代表相反的磁极性，不可见的磁力线环绕着它们之间的星球
但与条形磁铁不同，磁心磁场在整个地球上并不完全对齐，也不完全稳定
这是因为磁场起源于地球的外核:熔融的，富含铁，在地表以下1800英里处剧烈运动
这些搅动的金属就像一个巨大的发电机，叫做地球发电机，产生电流产生磁场
地球的磁场就像地球周围的保护屏障，排斥和捕获来自太阳的带电粒子
但是在南美洲和南大西洋上空，一个被称为南大西洋异常或SAA的异常薄弱点使得这些粒子比正常情况下更接近地表
目前，SAA对地表的日常生活没有产生明显的影响
然而，最近的观察和预测表明，该地区正在向西扩张，强度继续减弱
美国国家航空航天局的地球科学家也对南大西洋异常感兴趣，他们监测那里磁场强度的变化，不仅是因为这些变化如何影响地球大气层，也是地球内部深处地球磁场发生变化的一个指标
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心 当地核运动随时间变化时，由于地核内部和固体地幔上方边界的复杂地球动力学条件，磁场也会在空间和时间上波动
核心中的这些动态过程向外波及行星周围的磁场，在近地环境中产生SAA和其他特征——包括随着时间推移而移动的磁极的倾斜和漂移
该领域的这些进展与外核金属对流的时间尺度相似，为科学家提供了新的线索，帮助他们解开驱动地球动力学的核心动力学
马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球物理学家特里·萨巴卡说:“磁场实际上是许多电流源的叠加。”
固体地球以外的区域也对观测到的磁场有贡献
然而，他说，该领域的大部分来自核心
核心中的力和磁轴的倾斜一起产生了异常，即磁性较弱的区域——允许被困在地球磁场中的带电粒子向更靠近表面的方向倾斜
太阳不断排出称为太阳风的粒子和磁场，以及称为日冕物质抛射的大量热等离子体和辐射云
当这种太阳物质流经空间并撞击地球磁场占据的磁气圈时，它会被捕获并保持在地球周围的两个环形带中，称为范艾伦带
这些带限制粒子沿着地球的磁力线运动，不断地在两极间来回跳动
最里面的带始于离地球表面约400英里的地方，这使得它的粒子辐射与地球及其轨道卫星保持健康的距离
然而，当来自太阳的特别强的粒子风暴到达地球时，范艾伦带会变得非常活跃，磁场会变形，使带电粒子穿透大气层
戈达德大地测量与地球物理实验室的地球物理学家、数学家贾伟·匡说:“观测到的SAA现象也可以解释为该地区偶极场优势减弱的结果。”
“更具体地说，极性相反的局域场在SAA区域强烈增长，从而使场强非常弱，弱于周围区域的场强
" 太空中的洞穴 尽管南大西洋异常是由地球内部的过程引起的，但它的影响远远超出了地球表面
该地区对穿过它的低地球轨道卫星来说可能是危险的
如果一颗卫星被高能质子击中，它会短路并导致一个被称为单粒子翻转或SEU的事件
这可能导致卫星功能暂时失灵，或者在关键部件被击中时造成永久性损坏
为了避免丢失仪器或整颗卫星，运营商通常会在非必要组件通过SAA时将其关闭
事实上，美国国家航空航天局的电离层连接探索者定期在该地区旅行，因此该任务不断关注SAA的位置
当太阳物质流撞击地球的磁气圈时，它会被捕获并保持在地球周围的两个环形带中，称为范艾伦带
这些带限制粒子沿着地球的磁力线运动，不断地在两极间来回跳动
信用:美国宇航局戈达德/汤姆布里奇曼 位于低地球轨道的国际空间站也穿过SAA
它保护得很好，宇航员在里面不会受到伤害
然而，国际空间站还有其他乘客受到较高辐射水平的影响:像全球生态系统动态调查任务或GEDI这样的仪器从国际空间站外部的不同位置收集数据
该任务的副首席研究员、仪器科学家、戈达德太空中心的激光雷达仪器科学家布莱恩·布莱尔说，SAA会在GEDI的探测器上产生“光点”，并大约每月重置一次仪器的电源板
布莱尔说:“这些事件不会对GEDI造成伤害。”
“与激光发射的次数相比，探测器信号很少出现，大约一百万次发射中只有一次信号出现，重置线路事件会导致几个小时的数据丢失，但这种情况大约每个月才会发生
" 除了测量SAA的磁场强度，美国国家航空航天局的科学家们还利用太阳、异常和磁层粒子探测器(SAMPEX)研究了该地区的粒子辐射。SAMPEX是美国国家航空航天局的第一个小型探测器任务，于1992年发射，提供2012年前的观测数据
由美国宇航局太阳物理学家阿什利·格里利领导的一项研究是她的博士论文的一部分，该研究使用了来自SAMPEX的20年数据，表明SAA正缓慢但稳定地向西北方向漂移
这些结果有助于证实地磁测量建立的模型，并显示了SAA的位置是如何随着地磁场的演变而变化的
“这些粒子与引导它们运动的磁场密切相关，”美国宇航局戈达德日光层物理实验室的研究员施里·卡尼卡说
“因此，任何关于粒子的知识都会给你关于地磁场的信息
" 发表在《空间气象》杂志上的格里利的研究结果也能够清晰地显示卫星在通过SAA时接收到的粒子辐射的类型和数量，这强调了在该地区继续监测的必要性
格里利和她的合作者从SAMPEX的现场测量中获得的信息也对卫星设计有用。
低地球轨道卫星(LEO)的工程师利用这些结果来设计系统，以防止闩锁事件导致航天器故障或损失
为卫星塑造更安全的未来 为了了解SAA是如何变化的，并为未来卫星和仪器面临的威胁做好准备，萨巴卡、匡和他们的同事利用观测和物理学为全球地球磁场模型做出了贡献
太阳不断排出称为太阳风的粒子和磁场，以及称为日冕物质抛射的大量热等离子体和辐射云
这种太阳物质流经太空，撞击地球的磁层，磁层是由地球磁场占据的空间，它就像是地球周围的保护屏障
荣誉:美国国家航空航天局戈达德/贝利·德罗克 该小组利用欧洲航天局的Swarm星座数据、世界各地机构以前的任务和地面测量来评估磁场的当前状态
萨巴卡的团队在将观测数据传递给匡的团队之前，先将这些数据分开，以分离出其来源
他们将萨巴卡团队的分类数据与他们的核心动力学模型结合起来，预测未来地磁长期变化(磁场的快速变化)
戈达德的行星地球动力学实验室的数学家安德鲁·唐伯恩说，地球动力学模型在利用核心物理创建近期预测的能力方面是独一无二的
“这类似于天气预报的制作方式，但我们使用的时间尺度要长得多，”他说
“这就是我们在戈达德研究所和大多数其他研究小组模拟地球磁场变化的根本区别
" 萨巴卡和匡的一个应用是国际地磁参考场(IGRF)
IGRF用于从核心到大气层边界的各种研究，是由世界范围内的研究团队制作的候选模型的集合，这些模型描述了地球的磁场并跟踪它如何随时间变化
萨巴卡说:“尽管SAA移动缓慢，但它正在经历形态上的一些变化，所以我们通过继续执行任务来继续观察它也很重要。”
“因为这有助于我们做出模型和预测
" 邝其志说，不断变化的SAA给研究人员提供了新的机会来了解地核，以及地核的动力学如何影响地球系统的其他方面
通过跟踪磁场中这种缓慢演变的“凹痕”，研究人员可以更好地了解我们星球的变化方式，并为卫星更安全的未来做准备
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