A Föld mágneses pajzsa néha félrelibben

Egy új, magyar kutató részvételével készült tanulmány szerint a Föld mágneses tere nem minden esetben védi telehold idején az űrhajósokat.

A napszél lökései ugyanis eltéríthetik a Föld mágneses csóváját, mint egy szélzsákot, megszüntetve ezzel a telehold sugárvédettségét.

A napszél a Nap atmoszférájából ered és minden irányban kifelé terjedve kölcsönhatásba lép az összes naprendszerbéli objektummal. A Hold nem rendelkezik sem légkörrel, sem mágneses térrel, amely megvédené felszínét a napszél részecskéinek becsapódásától a bolygónk körüli pályájának 75%-án. A pálya maradék 25%-án, azaz a telehold környékén a Hold belép a Föld mágneses védőernyőjébe, a magnetoszférába. Korábbi tanulmányok alapján úgy vélték, hogy a Hold körül keringő mesterséges égitestek és a felszínre leszálló űrhajósok telehold környékén biztonságban vannak, mert a Föld megnyúlt, Nappal átellenes, éjszakai magnetoszférája hatékonyan megvédi őket még a MeV, vagy esetenként akár a néhány GeV energiájú szoláris-energikus részecskék kitöréseitől is.

Egy a Journal of Geophysical Research: Space Physics szaklapban megjelent tanulmány a NASA THEMIS-ARTEMIS szondáinak adatait elemezve megmutatta, hogy a napszélbeli lökéshullámok eltéríthetik a földi magnetoszférát, úgy, mint egy szélzsákot. Ezt a jelenséget először 1972-ben jelezték előre, de akkor azt feltételezték, hogy csak a Földtől nagy távolságra történhet meg, ahol a kitérés mértéke elegendően nagy. Ezt végül 30 évvel később egy űrszonda erősítette meg több mint 100 földsugár távolságra a Földtől, a Nap irányával ellentétesen. Azonban az ARTEMIS mérései feltárták azt, hogy a magnetoszféra kilengése váratlanul megtörténhet harmad akkora távolságban, a Hold pozíciója közelében is. Ez az esemény kiteszi a Holdat a napszélnek, továbbá a földi mágneses burok – ami a napszél és a földi magnetoszféra egy határrétege – felhevült és összenyomódott energikus részecskéinek.

1. ábra: A holdfázisok és a magnetoszféra elhelyezkedése a normál napszélben és a kitérült, lökéshullám által összenyomott esetben. (Forrás: Q.Q. Shi, Shandong Egyetem)

„Ez a meglepetésszerű eltérülés és kibukkanás telehold idején megmutatja azt, hogy a Holdra szálló űrhajósokat és az infrastruktúrát nem védi megbízhatóan a Föld mágneses pajzsa” – mondta Quanqi Shi professzor a Shandong Egyetemről, a tanulmány egyik szerzője. „Reméljük, hogy ez a felfedezés a dinamikusan változó holdi környezet egy naprakész modelljéhez vezet, amely elég időt hagy a holdi személyzet figyelmeztetésére, mielőtt a veszélyes szoláris-energikus részecskék megérkeznek.”

A kötött keringést végző kísérőnk Föld felőli oldala különösen fontos az emberes holdraszállások számára. A Hold felfedezését veszélyeztetheti a holdpor feltöltődése és mozgása, ionizációja, a túl zajos környezetben, vagy hibásan működő érzékelők, továbbá a napelemek teljesítményének fokozott romlása. A szoláris-energikus részecskék legrosszabb kitörései tönkretehetik az űrhajók kritikus rendszereit, vagy rákot okozhatnak az űrhajósoknak. Megjegyzendő, hogy a napszél hatása a felszínre különbözhet a holdi szélesség függvényében és befolyással lehet a hosszú távú holdbázisok elhelyezésére, a bányászati tevékenységre és az űrséták időzítésére. A Holdon a víz a napszél protonjainak és a holdi talaj kölcsönhatásának eredményeképpen jön létre. Az eredmények segítenek kideríteni, hogy a víz, amit emberi fogyasztásra és üzemanyag előállítására lehet felhasználni, hol halmozódik fel a felszínen.

„Mielőtt űrhajósokat küldünk vissza a Holdra hosszabb időre, meg kell értenünk a Holdunk körüli térség fizikáját és az űridőjárását; még mindig nagyon sok tudományos és biztonsági problémát kell megoldanunk” – nyilatkozta Vassilis Angelopoulos, aki a THEMIS-ARTEMIS küldetéseket vezeti a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen, azonban nem vett részt a tanulmány elkészítésében.

2. ábra: A szélzsák a szél irányának és erősségének fontos jelzője, ahhoz hasonlóan, ahogy a magnetoszféra reagál a napszél változásaira

Amikor a kutatók visszamenőleg elemezték az ARTEMIS észleléseket 2012 márciusától, felfedeztek egy nagy napszéllökést, amely egy bolygóközi lökéshullám volt. Az eseményt megnövekedett napszélsűrűség és magasabb napszélsebesség (800 km/s) jellemezte, az átlagos napszélsebesség értékének kétszerese. Ebben a különleges esetben a lökéshullám a Nap–Föld iránnyal jelentős szöget zárt be. Az erre a vonalra merőleges sebességkomponense 250 km/s volt (V_y, az y tengely a geocentrikus szoláris ekliptikai koordináta-rendszerben), ahol a tipikus merőleges napszélsebesség nullához közelít. A magnetoszféra kitérése egy órán át tartott, a Holdat fél órán keresztül bombázták a napszél és a mágneses burok részecskéi. Ez a nagy hajlásszögű lökéshullám egybeesett egy veszélyes, három napig tartó szoláris-energikus részecskekitöréssel. Az esemény még további részletesebb elemzést igényel, ennek részletei egy későbbi tanulmányban jelennek majd meg.

3. ábra: Az ARTEMIS adatoknak megfelelő számítógépes szimuláció, amely megmutatja a napszél lökéshullám beérkezését (narancssárga), a magnetoszféra összenyomódását (zöld-kék) és a kitérését a Holdon keresztül (fekete pötty). (Forrás: Q.Q. Shi, Shandong Egyetem)

Ez a tanulmány látványos megerősítését adja a magnetoszféra kitérésére gyakran használt szélzsák-analógiának. Minél nagyobb az oldalszél szöge, annál nagyobb a szélzsákszerű kitérés válaszul. Az ARTEMIS adatokat a dinamikus magnetoszféra-modellek javítására fogják felhasználni, a különféle szögben érkező napszél hatásait is belefoglalva ezekbe. Érdekes módon a szerzők arra a következtetésre jutnak, hogy a magnetoszféra kitérése lökéshullám nélkül is lehetséges, így ennek a jelenségnek az előfordulási gyakorisága vélhetően alábecsült. A továbbfejlesztett modelleket a L1 Lagrange-pontban található napszél-monitorozó szondák (mint az ACE) adataival kombinálva a holdi asztronautákat maximum 30 perccel a különlegesen veszélyes események beérkezése előtt figyelmeztethetik.

Az ARTEMIS két ikerszondából álló küldetés, amely a Hold elektromágneses tulajdonságait és a napszéllel való kölcsönhatását tanulmányozza. A sarki fény és a Föld mágneses tere tanulmányozásának szentelt eredeti THEMIS küldetés öt azonos szondából állt. Az eredeti program teljesítése után 2011-ben két THEMIS szondát átirányítottak Hold körüli pályára és átkeresztelték ARTEMIS-nek. Ez az új pálya ideális az űridőjárás tanulmányozására a távoli magnetoszférában és a napszélben. A THEMIS és az ARTEMIS programokat a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem és a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem Űrtudományi Laboratóriuma együtt irányítja és vezérli.

Szerző: Emmanuel Masongsong
Fordította: Facskó Gábor (az eredményekről beszámoló tudományos publikáció egyik társszerzője)

Kapcsolódó cikkek:
A holdkutatás közeljövője
Elindult a THEMIS

Kapcsolódó linkek:
THEMIS és ARTEMIS honlap (NASA)
Az eredményről beszámoló NASA sajtóközlemény