A 2024. májusi geomágneses szupervihar látványos sarki fényt hozott Európa és Észak-Amerika szokatlanul alacsony földrajzi szélességeire, miközben műholdas navigációs és kommunikációs rendszereket is megzavart. A japán Arase műhold mérései egy kevésbé látványos, technológiai szempontból komoly következményt is rögzítettek: a Föld külső Van Allen-övében keringő relativisztikus elektronok mennyisége a vihar fő szakaszában több nagyságrenddel csökkent.
Xingzhi Lyu és munkatársai műholdas, földi és modellszámítási adatokat egyesítve készítették el az esemény első részletes, fizikai folyamatokra épülő szimulációját. A vizsgálat szerint a részecskék nem egyetlen irányban hagyták el a sugárzási övet. A külső térségből sok elektron a világűrbe sodródott, amikor a napszél összenyomta a magnetoszférát, a belsőbb régiókban pedig plazmahullámok térítették az elektronokat a felső légkör felé. A megszokott előrejelző modellek elsősorban azért nem tudták pontosan visszaadni a folyamatot, mert rossz időpontban kapcsolták be az erős részecsketranszportot.
A Van Allen-övek a Föld mágneses tere által csapdába ejtett nagy energiájú protonokból és elektronokból álló, megközelítőleg gyűrű alakú tartományok. A részecskék spirális pályán mozognak a mágneses erővonalak körül, közben az északi és déli félteke között ide-oda verődnek, és lassan a Föld körül is sodródnak. A külső öv főként nagy energiájú elektronokat tartalmaz, amelyek energiája elérheti a több megaelektronvoltot. Ezek a részecskék behatolhatnak a műholdak elektronikájába, elektromos töltést halmozhatnak fel a szigetelőanyagokban, és meghibásodást okozhatnak a fedélzeti rendszerekben.
Egy geomágneses vihar során a sugárzási övek részecskeszáma gyorsan növekedhet vagy csökkenhet. A csökkenés nem feltétlenül kedvező folyamat, mert az elektronok nem semmisülnek meg: vagy kijutnak a bolygóközi térbe, vagy a légkörbe zuhannak. A vihar helyreállási szakaszában a külső öv ismét feltöltődhet, olykor a korábbinál nagyobb energiájú részecskékkel. A műholdak kockázata ezért a teljes eseménysor alakulásától függ, nem egyetlen pillanatnyi elektronsűrűségtől.
A kutatócsoport az Arase műhold 1 és 2,4 MeV energiájú elektronokra vonatkozó adatait elemezte. A vihar fő szakaszában az elektronfluxus a Föld sugarának körülbelül háromszorosánál távolabbi mágneses tartományokban több nagyságrenddel zuhant. A napszél dinamikus nyomása közben olyan erősen préselte össze a nappali magnetoszférát, hogy annak külső határa, a magnetopauza a Föld középpontjától mérve körülbelül 3,3 földsugárnyi távolságig húzódott vissza. Összehasonlításként a geostacionárius műholdak 6,6 földsugárnyi távolságban keringenek, vagyis a becsült magnetopauza időnként jóval a geostacionárius pálya belsejébe került.
Ekkor lépett működésbe a magnetopauza-árnyékolásnak nevezett folyamat, amikor a magnetoszféra külső határa befelé mozdul, a sugárzási öv korábban zárt mágneses pályái közül sok kapcsolatba kerülhet a magnetopauzával. A radiális diffúzió kifelé szállítja az elektronokat, amelyek a határ elérése után kiszabadulhatnak a magnetoszférából. A kutatás szerint a körülbelül 3,3 földsugárnál távolabbi térség gyors kiürülését elsősorban ez a mechanizmus irányította.
A belsőbb területek részecskeveszteségéhez más folyamatra is szükség volt. A plazmaszférában terjedő úgynevezett hiss-hullámok és az elektromágneses ionciklotron-hullámok megváltoztathatják az elektronok haladási irányát. Ha a részecske sebességének mágneses erővonal menti összetevője kellően megnő, az elektron többé nem verődik vissza a sarkvidéki mágneses tükörből, hanem belép a légkörbe, ahol ütközések során elveszíti energiáját. A műholdas adatok valóban erős hullámtevékenységet és fokozott elektroncsapadékot jeleztek a vihar idején.
A vizsgálat egyik legfontosabb eredménye az időzítés hibájának felismerése. A sugárzási övek modelljei gyakran a Kp geomágneses indexből becsülik meg a radiális diffúzió erősségét. A Kp-index 2024. május 10-én már körülbelül két órával az intenzív, ultraalacsony frekvenciájú hullámtevékenység előtt 7 fölé emelkedett. A hagyományos modell ezért túl korán indította el az erős diffúziót, és olyan elektroneloszlást számított, amely nem egyezett az Arase méréseivel. A félórás vagy órás felbontású geomágneses indexek használata sem oldotta meg a problémát.
Amikor a szimulációban a radiális diffúzió kezdetét a ténylegesen megfigyelt hullámtevékenységhez és a magnetoszféra összenyomódásához igazították, az eredmények sokkal közelebb kerültek a műholdas adatokhoz. A pontos reprodukcióhoz azonban a belsőbb régiók erősebb helyi hullámszórását is figyelembe kellett venni. A kutatás így egy időben szorosan összekapcsolt eseménysort rajzolt ki: a magnetoszféra összenyomódott, megindult a kifelé tartó radiális szállítás, a külső elektronok elvesztek a magnetopauzán keresztül, majd a belsőbb elektronokat plazmahullámok szórták a légkörbe.
Az eredmény korlátja, hogy a hullámterek teljes térbeli eloszlása még egy ilyen jól megfigyelt vihar esetében sem mérhető mindenütt közvetlenül. A fizikai modell ezért megfigyelésekkel támogatott feltételezéseket is tartalmaz. A fő következtetés ugyanakkor több egymástól független műholdas és földi adatsorral összhangban áll: szélsőséges viharoknál a folyamatok pontos sorrendje és egymáshoz viszonyított időzítése legalább olyan fontos, mint a geomágneses aktivitás maximális értéke.
Ez közvetlenül érinti az űridőjárási előrejelzést. Egy műhold üzemeltetőjének tudnia kell, mikor várható a sugárzási környezet hirtelen átrendeződése, mennyi ideig tart a veszélyes időszak, és mely pályamagasságok kerülnek a legnagyobb terhelés alá. A 2024-es esemény azt mutatta, hogy az átlagos viharokból származó tapasztalati összefüggések a legerősebb eseményeknél pontatlanná válhatnak. A jövő modelljeinek valós idejű napszéladatokra, a magnetopauza helyzetére és a plazmahullámok tényleges aktivitására is támaszkodniuk kell.
Források: AGU Advances, American Geophysical Union/Phys.org
