Το Βόρειο Σέλας ελέγχεται από μαγνητικές 'θηλιές' αποκαλύπτει ο στόλος δορυφόρων THEMIS της NASA

Πηγή: NASA, 10 Δεκεμβρίου 2007

Ένας στόλος διαστημικών σκαφών της NASA, που προωθήθηκε πριν από οκτώ μήνες, έχει κάνει τρεις σημαντικές ανακαλύψεις για τις θεαματικές εκρήξεις του Βόρειου Σέλαος, που ονομάζονται μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες - στις οποίες ελευθερώνεται απότομα ενέργεια στη μαγνητοσφαιρική ουρά για μια ώρα ή και λιγότερο - καθώς και την πηγή της ισχύς τους.

Η αποστολή των 5 δορυφόρων THEMIS της NASA παρατήρησε την δυναμική της ταχύτατης ανάπτυξης των υποκαταιγίδων, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη γιγαντιαίων μαγνητικών διαδικασιών ενώ επιβεβαίωσε μικρές εκρήξεις στα περίχωρα του γήινου μαγνητικού πεδίου.

Το Πολικό Σέλας όταν το παρατηρούμε φαίνεται να αλλάζει σχήμα και λαμπρότητα με γρήγορο ρυθμό, σαν να «κυματίζει». Οι μεταβολές αυτές του σχήματος και της λαμπρότητας του Σέλαος συνοδεύονται από κινήσεις της μαγνητικής βελόνας της πυξίδας, και για τον λόγο αυτόν το όλο φαινόμενο ονομάζεται μαγνητική υποκαταιγίδα. Κατά τη διάρκεια μιας υποκαταιγίδας απελευθερώνεται ενέργεια ίση με αυτήν ενός σεισμού μεγέθους 6 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ.

Οι ανακαλύψεις των δορυφόρων THEMIS άρχισαν στις 23 Μαρτίου του 2007, όταν εξερράγη μια υποκαταιγίδα πάνω από την Αλάσκα και τον Καναδά, παράγοντας έτσι ζωηρά σέλη για περισσότερο από δύο ώρες. Ταυτόχρονα οργανώθηκε ένα δίκτυο επίγειων φωτογραφικών μηχανών με σκοπό να υποστηρίξει την αποστολή THEMIS τραβώντας φωτογραφίες από τη Γη, ενώ οι δορυφόροι μέτρησαν τα σωματίδια και τα πεδία από πάνω.

"Η υποκαταιγίδα συμπεριφέρθηκε αρκετά απροσδόκητα," λέει ο Βασίλης Αγγελόπουλος, ο κύριος υπεύθυνος για την αποστολή στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες. "Τα σέλη ξεχύθηκαν σαν θάλασσα προς δυσμάς με διπλάσια ταχύτητα από αυτή που νομίζαμε μέχρι τώρα, διασχίζοντας 15 μοίρες γεωγραφικού μήκους σε λιγότερο από ένα λεπτό. Η καταιγίδα διαπέρασε ολόκληρη την πολική ζώνη, ή 650 χλμ, μόνο σε 60 δευτερόλεπτα."

Αριστερά: Τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου εξοστρακίζονται από τη μαγνητόσφαιρα της Γης

Οι φωτογραφίες που λήφθηκαν από τις επίγειες φωτογραφικές μηχανές και τον Πολικό δορυφόρο της NASA (που υποστηρίζει επίσης την αποστολή THEMIS) αποκάλυψαν μια σειρά απότομων εκρήξεων με διάρκεια περίπου 10 λεπτών η κάθε μία.

Δεξιά : Ο Βασίλης Αγγελόπουλος

Ο Αγγελόπουλος υπολόγισε τη συνολική ενέργεια του γεγονότος που κράτησε δύο ώρες σε πεντακόσιες χιλιάδες δισεκατομμύρια τζάουλ. Αυτή είναι ισοδύναμη με την ενέργεια ενός σεισμού μεγέθους 5,5 Ρίχτερ. Από πού όμως προέρχεται όλη αυτή η ενέργεια;

Η αποστολή THEMIS μπορεί να έχει βρει την απάντηση.

Οι μαγνητικές 'θηλιές' το κλειδί για την διοχέτευση της ενέργειας

"Οι 5 δορυφόροι έχουν βρει στοιχεία για τις μαγνητικές 'θηλιές', που συνδέουν άμεσα τη γήινη ανώτερη ατμόσφαιρα με τον ήλιο," λέει ο David Sibeck ειδικός επιστήμονας για την αποστολή της NASA. "Πιστεύουμε ότι τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου ρέουν κατά μήκος αυτών των 'θηλιών', προσφέροντας ενέργεια για τις γεωμαγνητικές καταιγίδες και τα σέλη."

Μια μαγνητική θηλιά είναι μια στριφτή δέσμη μαγνητικών γραμμών - σαν τα στριμμένα νήματα σε ένα χοντρό ναυτικό σχοινί.  Στην ηλιόσφαιρα - στην άκρη του ήλιου - τα μαγνητικά πεδία και τα ηλεκτρικά ρεύματα ευθυγραμμίζονται και στρίβονται σχηματίζοντας τεράστιες τρισδιάστατες δομές. Αυτές λέγονται "θηλιές μαγνητικής ροής", και είναι ασταθείς περιοχές.

Το THEMIS αντιμετώπισε την πρώτη μαγνητική 'θηλιά' στις 20 Μαΐου 2007. Ήταν πολύ μεγάλη, πλάτους περίπου σαν την Γη, και 70.000 χλμ πάνω από τη γήινη επιφάνεια, στην περιοχή της μαγνητόπαυσης. Η μαγνητόπαυση είναι εκεί όπου ο ηλιακός άνεμος και το μαγνητικό πεδίο της Γης συναντιούνται και σπρώχνουν το ένα το άλλο. Σε εκείνο το σημείο σχηματίζεται η μαγνητική θηλιά και αποκαλύπτεται σε λίγα μόνο λεπτά, προσφέροντας έναν συνοπτικό αλλά σημαντικό αγωγό για την ενέργεια του ηλιακού ανέμου.

Οι 5 δορυφόροι της αποστολής THEMIS είναι εξοπλισμένοι με όργανα που μετρούν τα ιόντα, τα ηλεκτρόνια και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο διάστημα. Οι δορυφόροι θα ευθυγραμμιστούν κατά μήκος της ευθείας του ήλιου με τη Γη τον επόμενο Φεβρουάριο για να εκτελέσουν τις βασικές μετρήσεις τους. Οι ερευνητές αναμένουν να παρατηρήσουν, για πρώτη φορά, την προέλευση του ξεκινήματος των υποκαταιγίδων στο διάστημα, αλλά και να μάθουν περισσότερα για την εξέλιξή τους.

Επιστήμονες από τις ΗΠΑ, τον Καναδά, τη Δυτική Ευρώπη, τη Ρωσία και την Ιαπωνία θα συμβάλλουν στην επιστημονική έρευνα κατά τη διάρκεια των δύο επόμενων ετών.

Η εξήγηση του μηχανισμού

Με τη βοήθεια του διαστημικού παρατηρητηρίου Τhemis, οι επιστήμονες με επικεφαλής τον Βασίλη Αγγελόπουλο κατάφεραν να αποκρυπτογραφήσουν τον μηχανισμό που προκαλεί τις μαγνητικές καταιγίδες οι οποίες διακόπτουν τη λειτουργία των τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων αλλά παράλληλα εντείνουν το βόρειο σέλας.

Το παρατηρητήριο Τhemis αποτελείται από πέντε δορυφόρους και αποστολή του ήταν η μελέτη του μηχανισμού που προκαλεί τις μαγνητικές καταιγίδες καθώς και το σέλας.

Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι οι μαγνητικές καταιγίδες προκαλούνται όταν δύο μαγνητικά πεδία έρχονται σε επαφή απελευθερώνοντας ενέργεια και θερμότητα. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι να πολλαπλασιάζεται η ταχύτητα του πλάσματος που «εκτοξεύεται» από τον Ήλιο προς τη Γη. Αυτό με τη σειρά του έχει ως αποτέλεσμα τόσο τη διαταραχή της λειτουργίας των δορυφόρων και των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όσο και την αύξηση της έντασης του σέλαος.

Οι μαγνητικές καταιγίδες αποτελούν, επίσης, σοβαρό κίνδυνο για τους αστροναύτες που είτε βρίσκονται στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό είτε σε κάποιο διαστημόπλοιο.

"Ανακαλύψαμε τι προκαλεί τις μαγνητικές καταιγίδες αλλά και παράλληλα βρίσκεται πίσω από τον εντυπωσιακό χορό χρωμάτων στον ουρανό. Πρέπει τώρα να αναλύσουμε τα στοιχεία που συγκεντρώσαμε και να παρατηρήσουμε εκ νέου όλο το περιβάλλον μέσα στο οποίο δημιουργούνται οι μαγνητικές καταιγίδες ώστε να καταφέρουμε κάποια στιγμή να μπορούμε να προβλέπουμε την εμφάνισή τους και έτσι να προχωρούμε σε όλες τις απαραίτητες διαδικασίες προστασίας των δορυφόρων και των ηλεκτρικών δικτύων αλλά και να ειδοποιούμε τους αστροναύτες", δήλωσε ο Βασίλης Αγγελόπουλος.
 

Ηλιακές καταιγίδες και υποκαταιγίδες

Οι υποκαταιγίδες παράγονται όταν η γήινη μαγνητόσφαιρα για κάποιους λόγους φορτίζεται με πρωτόνια και ηλεκτρόνια και έπειτα απαλλάσσεται από αυτά, κάνοντας τα ιονισμένα σωματίδια να κινούνται σπειροειδώς κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών, όπου συγκλίνουν στους πόλους. Κατά μήκος της διαδρομής τους χτυπούν τα άτομα που είναι στην ατμόσφαιρα και εκπέμπουν φως (τα γνωστά σέλη), που κυμαίνεται από το ζωηρόχρωμο ορατό φως έως το αόρατο άκρο υπεριώδες.

Οι υποκαταιγίδες, που μπορούν να κρατήσουν έως και μια ώρα, διακρίνονται από τις ημερήσιες καταιγίδες οι οποίες παράγονται από τις στεφανιαίες εκτινάξεις μάζας και τις μεγάλες εκλάμψεις του ήλιου, οι οποίες αναστατώνουν τις γήινες επικοινωνίες.

Μέχρι τώρα η αιτία των γρήγορων μεταβολών του σέλαος, κατά τη διάρκεια μαγνητικών υποκαταιγίδων, παρέμενε ως σήμερα αμφιλεγόμενο θέμα για τους διαστημικούς φυσικούς, παρ' όλο που είχε διαπιστωθεί ότι οι υποκαταιγίδες συνδέονται με μια χαρακτηριστική αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου της Γης με το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου. Η αλληλεπίδραση αυτή, που ονομάζεται ανασύνδεση, συμβαίνει μόνο όταν το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου είναι αντίθετο στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Δεν ήταν όμως σαφές αν η ανασύνδεση ήταν το αίτιο ή το αποτέλεσμα της υποκαταιγίδας.

Επειδή οι μαγνητικές υποκαταιγίδες είναι ένα φαινόμενο με σημαντικές συνέπειες στη σύγχρονη καθημερινή ζωή, αφού επηρεάζουν τις ασύρματες επικοινωνίες και τα σήματα των δορυφόρων παγκόσμιου εντοπισμού θέσης (GPS), ενώ προκαλούν και διακοπές στα δίκτυα διανομής του ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως η κατανόηση του φαινομένου των υποκαταιγίδων είναι σημαντική για πολλούς τομείς. Η ιδανική λύση, φυσικά, για την παρακολούθηση του φαινομένου θα ήταν να τοποθετήσουμε όργανα μέτρησης του μαγνητικού πεδίου, των ηλεκτρικών ρευμάτων και του φωτός που εκπέμπει το Σέλας σε διάφορες αποστάσεις από την επιφάνεια της Γης, για να καταγράψουμε τη σειρά με την οποία μεταβάλλονται αυτά τα μεγέθη στις αντίστοιχες αποστάσεις. Το πρόβλημα όμως είναι ότι έξω από την ατμόσφαιρα δεν είναι δυνατόν να σταθεί ακίνητο οποιοδήποτε όργανο. Θα πρέπει να περιφέρεται σε τροχιά γύρω από τη Γη, οπότε μοιραία θα αλλάζει η θέση του συνεχώς.

Δεξιά: Καλλιτεχνική απεικόνιση των 5 δορυφόρων της αποστολής THEMIS, που βρίσκονται στις κόκκινες ελλειπτικές τροχιές. Οι μπλε γραμμές αναπαριστούν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Το λευκό χρώμα σαν το φλας  αναπαριστούν την ενέργεια που ελευθερώνεται κατά την διάρκεια της μαγνητικής υποκαταιγίδας. Τα 5 διαστημόπλοια της αποστολής THEMIS ευθυγραμμίζονται τα μεσάνυκτα (ώρα ΗΠΑ) κάθε 4 μέρες. Οι αποστάσεις τους κυμαίνονται από σχεδόν το ήμισυ της απόστασης μέχρι τη Σελήνη έως σχεδόν το 1/6 της απόστασης μέχρι τη Σελήνη. Οι θέσεις τους έχουν επιλεγεί έτσι για να μελετηθούν οι υποκαταιγίδες, που δημιουργούνται όταν το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου έχει αντίθετη πολικότητα από αυτό της Γης, οπότε ο ηλιακός άνεμος «μεταφέρει» μαγνητικές γραμμές από την ημερήσια πλευρά της Γης στη νυχτερινή. Το μαγνητικό πεδίο ανασυνδέεται στη νυχτερινή πλευρά της Γης, προκαλώντας τελικά την εκρηκτική παραγωγή ενέργειας και την έναρξη της υποκαταιγίδας

Το πρόβλημα αυτό λύθηκε με τη βοήθεια του διαστημικού φυσικού Βασίλη Αγγελόπουλου, ο οποίος πρότεινε στη NASA ένα φιλόδοξο σχέδιο για να λύσει αυτό ακριβώς το πρόβλημα. Συγκεκριμένα πρότεινε την τοποθέτηση πέντε όμοιων δορυφόρων σε διαφορετικές τροχιές γύρω από τη Γη, έτσι ώστε να «ευθυγραμμίζονται», σε διάφορες αποστάσεις από τη Γη ο καθένας, μία φορά κάθε τέσσερις ημέρες. Αν τη στιγμή της ευθυγράμμισης τύχαινε να συμβεί μια μαγνητική υποκαταιγίδα, οι δορυφόροι θα ήταν στην ιδανική θέση για να μετρήσουν όλες τις ποσότητες που υπεισέρχονται στην εξέλιξη του φαινομένου. Τις μετρήσεις των δορυφόρων θα συμπλήρωνε μια σειρά από επίγειους σταθμούς παρατήρησης, τοποθετημένους στρατηγικά στην Αλάσκα και στον Καναδά.

Το πείραμα αυτό ονομάστηκε THEMIS, (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms ή Χρονική Αλληλουχία των Γεγονότων και Αλληλεπιδράσεις Μεγάλης Κλίμακας κατά τη διάρκεια Υποκαταιγίδων), και οι δορυφόροι του τέθηκαν σε τροχιά τον Φεβρουάριο του 2007 και από τότε η ομάδα του Βασίλη Αγγελόπουλου περίμενε την ευκαιρία να «ακτινογραφήσει» μια υποκαταιγίδα, που θα συνέβαινε τη στιγμή της ευθυγράμμισης των πέντε δορυφόρων.

Τελικά στις 26 Φεβρουαρίου 2008, οπότε ξέσπασε μια υποκαταιγίδα ακριβώς τη στιγμή της ευθυγράμμισης, έγινε η διαδοχική καταγραφή των στοιχείων από τους δορυφόρους και τους επίγειους σταθμούς παρατήρησης. Αποκαλύφθηκε έτσι ο μηχανισμός δημιουργίας μιας υποκαταιγίδας. Πρώτα παρατηρήθηκε από τους δορυφόρους μια ανασύνδεση των μαγνητικών γραμμών. Ενάμισι λεπτό αργότερα οι επίγειοι σταθμοί παρατήρησαν την ενίσχυση του Βορείου Σέλαος και άλλο ενάμισι λεπτό αργότερα οι δορυφόροι παρατήρησαν μεταβολή του μαγνητικού πεδίου της Γης. Η αλληλουχία αυτή των γεγονότων έδειξε, πέρα από κάθε αμφισβήτηση, ότι η ανασύνδεση είναι το αίτιο και η υποκαταιγίδα το αποτέλεσμα. Η ανακάλυψη αυτή θεωρήθηκε τόσο σημαντική ώστε αποτέλεσε και το θέμα του εξωφύλλου του περιοδικού «Science» στο φύλλο της 15ης Αυγούστου 2008, στο οποίο δημοσιεύονται και τα αποτελέσματα της ομάδας του Αγγελόπουλου.

Αντίθετα οι μαγνητικές καταιγίδες, όπως ονομάστηκαν από τον Alexander Von Humboldt, παρατηρούνται σε οποιαδήποτε θέση και εύκολα και είναι σχετικά σπάνιες. Χαρακτηριστικά, μια καταιγίδα διαρκεί μισή ημέρα που αναπτύσσεται, και αποσυντίθεται βαθμιαία κατά τη διάρκεια των επόμενων ημερών. Οι μαγνητικές καταιγίδες είναι σχετικά σπάνιες. Όταν έχουμε δε έντονες ηλιακές καταιγίδες παρατηρούνται γενικά και υποκαταιγίδες άρα κατά κάποιο τρόπο σχετίζονται. Οι καταιγίδες διακρίνονται γιατί τότε γίνεται έγχυση μεγάλου αριθμού ιόντων και ηλεκτρονίων από την ουρά στην εξωτερική ζώνη της ακτινοβολίας.

Αφ' ετέρου, οι μικρότερες υποκαταιγίδες είναι αισθητές κυρίως στις πολικές περιοχές (και στο διάστημα).  Είναι επίσης συχνότερες, και συχνά επαναλαμβάνονται μετά από λίγες ώρες. Συνήθως σε αυτές δεν εγχέονται τόσο πολλά σωματίδια.

Αυτό που καθιστά διακριτά τα δύο διαφορετικά σέλη είναι οι διαφορετικές συμπεριφορές των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων καθώς εισέρχονται στην ατμόσφαιρα. Τα πρωτόνια γρήγορα εξουδετερώνονται γιατί ενώνονται με τα ηλεκτρόνια, και μόλις συμβεί αυτό 'αγνοούν' τις μαγνητικές γραμμές και κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα ηλεκτρόνια, εντούτοις, παραμένουν ελεύθερα και κινούνται κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών. Τα ηλεκτρόνια δηλαδή κινούνται σπειροειδώς στενά γύρω από τις μαγνητικές γραμμές.

Αριστερά: Ένα φαντασμαγορικό Σέλας. Τα χρώματα στο σέλας ανταποκρίνονται στη σύνθεση της ατμόσφαιρας, το πράσινο και το κόκκινο αντιστοιχεί στο οξυγόνο και το βιολετί στο άζωτο.

Το δε βόρειο σέλας αποτελεί ένα ανεπανάληπτο θέαμα, που δημιουργείται καθώς φορτισμένα σωματίδια από μαγνητικές καταιγίδες στο διάστημα πέφτουν επάνω στην ατμόσφαιρα της Γης.

Το βόρειο σέλας σχηματίζει μια συνεχόμενη ζώνη που απλώνεται από την Ανατολή προς τη Δύση, όμως κάθε λίγες ώρες η ενέργεια που αποδεσμεύεται από το μαγνητικό πεδίο μεγαλώνει και σχηματίζεται μια ηλιακή υποκαταιγίδα.

Στην πράξη το βόρειο σέλας είναι η ορατή απόδειξη των διαταραχών στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Ο Ήλιος στέλνει αδιαλείπτως ενέργεια στη Γη, μέρος της οποίας αποθηκεύεται από το μαγνητικό πεδίο της, σε υψόμετρο 10 χιλιάδων χλμ πάνω από την επιφάνεια. Μπορεί η μαγνητόσφαιρα να δημιουργεί μια ασπίδα γύρω από τη Γη και να μας προστατεύει από την επικίνδυνη ακτινοβολία του ήλιου, όμως κατά καιρούς η μαγνητόσφαιρα αποδεσμεύει την αποθηκευμένη ενέργεια με τη μορφή φορτισμένων ηλεκτρονίων που κατευθύνονται προς τη Γη. Όταν αυτά συγκρούονται με τα μόρια της ατμόσφαιρας, η ενέργεια που εκλύεται δημιουργεί το βόρειο σέλας.

Ο Βασίλης Αγγελόπουλος γεννήθηκε το 1965 στη Θεσσαλονίκη και το 1986 πήρε πτυχίο Φυσικής από το ΑΠΘ. Το διδακτορικό του πάνω στη Διαστημική Φυσική το πήρε το 1993 από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες. Έχει δουλέψει στο Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA (JPL) και στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins (APL). Από το 2007 είναι αναπληρωτής καθηγητής του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες. Για την ερευνητική του δουλειά έχει βραβευθεί από την Αμερικανική Γεωφυσική Ένωση και τη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών.