Παγιδευμένα φορτισμένα σωματίδια γύρω από τη Γη

Γράφει η Αφροδίτη Νάση και η Πηνελόπη Αγγελοπούλου

Η Γη αποτελεί έναν από τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος ο οποίος διαθέτει ενδογενές μαγνητικό πεδίο, δηλαδή πεδίο που παράγεται από μηχανισμούς στο εσωτερικό του (βλ. ‘’γεωδυναμό’’). Το μαγνητικό πεδίο της Γης, κοντά στην επιφάνειά της, ακολουθεί προσεγγιστικά την κλασική μορφή ενός διπόλου (Εικόνα 1), όπως αυτή που παράγεται από έναν γραμμικό μαγνήτη. Αυτό συμβαίνει περίπου μέχρι την απόσταση των 6 ακτίνων Γης (ή περίπου των 38.000 χιλιομέτρων). Όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια της Γης, η μορφή του πεδίου αποκλίνει από την ιδανική διπολική εξαιτίας της αλληλεπίδρασής του με τον ηλιακό άνεμο, μια συνεχή ροή σωματιδίων που ρέει από τον Ήλιο προς όλες τις διευθύνσεις. Ο ηλιακός άνεμος παραμορφώνει το μαγνητικό πεδίο της Γης, συμπιέζοντάς το στην προσήλια πλευρά, και επιμηκύνοντάς το στην αφήλια, δίνοντάς του τη χαρακτηριστική του μορφή, που μοιάζει με σταγόνα νερού (Εικόνα 2). Η κοιλότητα αυτή μέσα στην οποία επικρατεί το μαγνητικό πεδίο της Γης, ονομάζεται γήινη μαγνητόσφαιρα.

Εικόνα 1: Απλοποιημένη απεικόνιση του μαγνητικού πεδίου της Γης κοντά στην επιφάνειά της. Πηγή: Professor Kenneth R. Lang, Tufts University.

Εικόνα 2: Τομή της γήινης μαγνητόσφαιρας, όπου φαίνεται η συμπίεση στην προσήλια και η επιμήκυνση στην αφήλια πλευρά λόγω του ηλιακού ανέμου. Πηγή: Daglis et al. (1999)

Στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας συνυπάρχουν πληθυσμοί πλάσματος φορτισμένων σωματιδίων με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα οποία αλληλεπιδρούν και αλληλοεπηρεάζονται. Καθώς τα σωματίδια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα) είναι φορτισμένα, ακολουθούν τις δομές των πεδίων κατά την κίνησή τους μέσα στη μαγνητόσφαιρα. Με τη σειρά της, η κίνηση των φορτίων επάγει άλλα πεδία, τα οποία επηρεάζουν τα υπάρχοντα, με αποτέλεσμα να υποστηρίζεται ένας αέναος κύκλος αλληλεπιδράσεων και συμπεριφορών. Το βασικότερο αποτέλεσμα αυτών των μηχανισμών, είναι η παγίδευση των σωματιδίων στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας (φυσικά, υπάρχουν και μηχανισμοί που επιτρέπουν τη διαφυγή τους υπό κάποιες προϋποθέσεις).

Τα παγιδευμένα σωματίδια, ακολουθούν τρεις τύπους οιονεί-περιοδικών κινήσεων, ακολουθώντας και ταυτόχρονα καθορίζοντας τη μορφή του πεδίου στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας (Εικόνα 3). Οι κινήσεις αυτές είναι:

α) Η γυροκίνηση (gyro-motion), δηλαδή μια ελικοειδής κίνηση γύρω από τις μαγνητικές γραμμές.
β) Η κίνηση αναπήδησης (bounce motion), δηλαδή μια κίνηση κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών με ανάκλαση σε κατοπτρικά σημεία όπου το μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό.
γ) Η κίνηση ολίσθησης (drift motion), δηλαδή μια κυκλική κίνηση γύρω από τη Γη και κάθετα στις δυναμικές γραμμές. 

Εικόνα 3: Οι τρεις κινήσεις των παγιδευμένων σωματιδίων μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Πηγή: Kivelson & Russel (1995)

Τα φορτισμένα σωματίδια που είναι παγιδευμένα από το γήινο μαγνητικό πεδίο σχηματίζουν τους διαφορετικούς πληθυσμούς πλάσματος και τα συστήματα ρευμάτων της μαγνητόσφαιρας, ανάλογα με το φορτίο και την ενέργειά τους. Οι δύο σημαντικότεροι πληθυσμοί πλάσματος στο γεωδιάστημα είναι το δακτυλιοειδές ρεύμα και οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen, οι οποίοι διαφοροποιούνται κυρίως λόγω της ενέργειάς τους (Εικόνα 4).

Εικόνα 4: Απλοποιημένη απεικόνιση των ζωνών ακτινοβολίας Van Allen που περιβάλλουν τη Γη. Σημειώνεται η θέση τους σε τιμές μαγνητοκελύφους L, οι τιμές του μαγνητικού πεδίου, και οι τρεις χαρακτηριστικές κινήσεις των παγιδευμένων σωματιδίων. Πηγή: Mitchel (1994)

Οι πληθυσμοί σωματιδίων και τα συστήματα ρευμάτων (Εικόνα 5) γενικά χαρακτηρίζονται από δυναμικότητα και επηρεάζονται από την ηλιακή δραστηριότητα. Ταυτόχρονα, έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν και τις ανθρώπινες δραστηριότητες, καθώς στις περιοχές του διαστήματος στις οποίες βρίσκονται υπάρχουν τοποθετημένοι τεχνητοί δορυφόροι. Τα ηλεκτρονικά συστήματα αυτών των δορυφόρων είναι επιρρεπή σε βλάβες που μπορούν να προκληθούν από φορτισμένα σωματίδια υψηλής ενέργειας. Επομένως, η χαρτογράφηση και η μελέτη των συγκεκριμένων δομών και πληθυσμών που υπάρχουν στο γεωδιάστημα, είναι ζήτημα υψηλού ενδιαφέροντος, καθώς η καθημερινότητά μας βασίζεται ολοένα και περισσότερο σε διαστημικές εφαρμογές. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι, οι δορυφόροι περιβαλλοντικών μελετών και διαχείρισης καταστροφών και οι δορυφόροι εντοπισμού θέσης (π.χ. GPS). 

Εικόνα 5: Λεπτομερής δομή του εσωτερικού της γήινης μαγνητόσφαιρας, και τα κύρια συστήματα ρευμάτων που περιλαμβάνει. Πηγή: Kallenrode (2004)

Σε επόμενο άρθρο θα συζητηθεί το πως τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία της μαγνητόσφαιρας οδηγούν τελικά στις τρεις χαρακτηριστικές κινήσεις των παγιδευμένων σωματιδίων οι οποίες απεικονίζονται στην Εικόνα 3.