Perisai magnet Bumi

Bagaimana Bumi menahan angin dari Matahari, dan apa yang dilakukan badai Matahari

Langkah demi langkah

Bumi adalah magnet

Besi cair yang bergolak di inti luar Bumi menghasilkan medan magnet. Di permukaan tanah, medan ini sekitar seratus kali lebih lemah daripada magnet kulkas, tetapi menjangkau jauh ke luar angkasa. Kutub-kutubnya berjarak sekitar 9° dari sumbu putar Bumi.

Hampir di tengah jalan menuju pusat Bumi terdapat inti luar: lautan besi cair bersuhu ribuan derajat. Panas yang naik dari bawah membuatnya terus bergolak, dan putaran Bumi memelintir arusnya menjadi spiral. Besi yang bergerak membawa arus listrik, arus listrik menghasilkan medan magnet, dan medan itu menjaga arus tetap mengalir: dinamo alami yang telah bekerja selama miliaran tahun.

Garis-garis ini menunjukkan bentuk medan: jarum kompas sejajar dengannya. Garis-garis itu keluar dari Bumi di belahan selatan dan masuk kembali di dekat utara, jadi kutub yang ditunjuk kompas sebenarnya adalah kutub selatan magnet.

Kutub magnet berpindah-pindah, dan rata-rata setiap beberapa ratus ribu tahun medannya berbalik: utara dan selatan bertukar tempat. Pembalikan terakhir terjadi sekitar 780.000 tahun lalu. Lava merekam arah medan saat mendingin, sehingga batuan tua menyimpan catatan harian setiap pembalikan.

Angin dari Matahari

Atmosfer luar Matahari, korona, ratusan kali lebih panas daripada permukaannya yang terlihat, begitu panas sehingga gravitasi Matahari tidak dapat menahannya. Korona mengalir ke angkasa ke segala arah sebagai angin Matahari. Eugene Parker memprediksinya pada 1958, dan wahana antariksa memastikannya beberapa tahun kemudian.

Angin ini adalah plasma: gas yang begitu panas sehingga atom-atomnya pecah menjadi partikel bermuatan, terutama proton dan elektron. Angin ini sangat tipis, hanya beberapa partikel dalam ruang seukuran gula batu, lebih hampa daripada ruang hampa terbaik yang pernah dibuat di laboratorium. Namun ia tak pernah berhenti, dan membawa medan magnet Matahari ke seluruh tata surya.

Partikel bermuatan tidak mudah menyeberangi garis medan magnet; sebaliknya, mereka berputar spiral mengelilinginya. Karena itu medan Bumi bekerja sebagai perisai yang membelokkan angin mengitari planet. Mars tidak memiliki medan global seperti itu, dan selama miliaran tahun angin Matahari telah melucuti sebagian besar udaranya.

Perisai

Angin Matahari melaju lebih cepat daripada gelombang apa pun yang dapat mendahuluinya untuk memberi tahu ada rintangan. Jadi ia tidak bisa mengitari Bumi dengan mulus: ia melambat mendadak dan memanas di gelombang kejut haluan, seperti gelombang yang menumpuk di depan perahu yang melaju.

Setelah melewati kejut itu, angin yang melambat mengalir mengitari magnetopause, tempat dorongannya dan dorongan medan Bumi seimbang. Itulah tepi magnetosfer, gelembung magnet Bumi: di dalam, medan Bumi yang berkuasa; di luar, angin Matahari.

Gelembung ini pepat di sisi yang menghadap Matahari dan terentang jauh di belakang, seperti kantong angin. Ukurannya berubah mengikuti angin: saat angin bertiup lebih kencang, magnetopause terdorong lebih dekat ke Bumi. Di angkasa kedua batas ini tak terlihat; di sini keduanya digambar sebagai lapisan bercahaya.

Ekor yang melewati Bulan

Di sisi malam, angin Matahari menarik medan Bumi menjadi ekor panjang, yaitu ekor magnet. Tak seorang pun tahu persis seberapa panjangnya. Wahana antariksa telah menemukannya jauh melewati Bulan, dan ekor itu mungkin membentang lebih dari 15 kali jarak Bulan.

Di tengah ekor membentang lembaran plasma, lapisan partikel bermuatan yang panas. Di atas dan di bawahnya, garis medan mengarah berlawanan, teregang seperti karet gelang dan menyimpan energi dari angin Matahari. Saat garis-garis itu terlepas kembali, energi itu menyalakan aurora, seperti ditunjukkan langkah selanjutnya.

Bulan menghabiskan sekitar enam hari setiap bulan di dalam ekor, dari tiga hari sebelum purnama hingga tiga hari sesudahnya. Di sana Bulan terlindung dari angin Matahari, dan wahana Jepang Kaguya menemukan oksigen dari atmosfer atas Bumi yang sampai ke permukaannya.

Sabuk radiasi

Partikel bermuatan berputar spiral mengelilingi garis medan magnet. Di dekat kutub, tempat garis-garis merapat dan medan makin kuat, spiral itu menyempit hingga partikel berbalik, seolah dipantulkan cermin. Maka ia memantul dari kutub ke kutub dalam satu detik atau kurang, sambil hanyut mengelilingi seluruh Bumi, dan bisa terperangkap selama bertahun-tahun.

Sabuk dalam terutama berisi proton berenergi sangat besar, dan hampir tidak berubah. Sabuk luar terutama berisi elektron dan terus berubah: badai Matahari dapat mengosongkan atau mengisinya dalam hitungan jam.

Explorer 1, satelit pertama Amerika, membawa pencacah radiasi buatan tim James Van Allen. Di ketinggian, alat itu sama sekali tidak mencacah apa pun, hal yang tidak masuk akal sampai Explorer 3 menunjukkan sebabnya: radiasinya begitu kuat hingga membanjiri pencacah.

Dengan suara aktif, Anda sedang mendengar sabuk radiasi: gelombang radio yang direkam Van Allen Probes milik NASA. Frekuensinya sama dengan frekuensi bunyi yang bisa kita dengar, sehingga pengeras suara dapat memutarnya langsung. Gelombang seperti ini mempercepat sebagian elektron dan menjatuhkan sebagian lainnya ke udara.

Badai Matahari

Bintik Matahari adalah bagian yang lebih gelap dan lebih dingin tempat medan magnet Matahari menembus permukaannya, kusut dan terpelintir. Ketika medan yang terpelintir itu tiba-tiba berubah ke bentuk yang lebih sederhana, ia melepaskan energi luar biasa: kilatan cahaya dan sinar-X yang disebut suar, dan sering kali awan gas yang terlempar ke angkasa bersama medan magnetnya sendiri, yaitu lontaran massa korona.

Cahaya suar tiba di Bumi dalam sekitar delapan menit; awan butuh satu sampai empat hari. Teleskop yang mengamati Matahari memberi peringatan beberapa hari sebelumnya, tetapi seberapa kuat sebuah awan baru ketahuan saat melewati wahana antariksa yang ditempatkan empat kali lebih jauh daripada Bulan, kurang dari satu jam sebelum mencapai kita.

Pada Mei 2024, kelompok bintik AR 3664 lebih dari 15 kali lebih lebar daripada Bumi, cukup besar untuk dilihat tanpa teleskop dengan kacamata gerhana. Matahari mendekati puncak siklus 11 tahunnya, dan pada 8 dan 9 Mei kelompok itu melontarkan awan demi awan ke arah Bumi.

Tertekan

Yang paling penting adalah ke mana medan milik awan itu mengarah. Di sisi yang menghadap Matahari, medan Bumi mengarah ke utara. Saat medan awan mengarah ke selatan, keduanya berlawanan dan dapat menyatu, seperti kutub berlawanan dua magnet yang saling menempel. Perisai pun terbuka: garis medan Bumi terkait pada angin, yang menyeretnya melewati kutub ke ekor sambil mengalirkan energi masuk.

Awan yang medannya mengarah ke utara umumnya hanya meluncur lewat, dan bahkan yang cepat pun tak banyak merusak. Karena itu para peramal tidak dapat mengetahui seberapa kuat badai nanti sampai awan mencapai wahana antariksa yang menunggunya.

Aurora utara dan selatan

Energi yang menumpuk di ekor tidak tinggal di sana. Garis medan yang teregang melenting kembali ke arah Bumi seperti ketapel dan melontarkan elektron di sepanjang medan. Garis-garis itu turun di dekat kutub, sehingga elektron menghantam udara atas dalam cincin di sekeliling setiap kutub magnet: oval aurora yang berpendar di sini.

Saat elektron menabrak atom oksigen atau molekul nitrogen, ia memberinya energi tambahan, yang keluar lagi sebagai cahaya dengan satu warna yang tepat, seperti papan neon yang menyala. Oksigen memberi warna hijau. Lebih tinggi lagi, tempat udara paling tipis, oksigen memberi warna merah: cahaya merah itu butuh hampir dua menit untuk keluar, dan di bawahnya tabrakan akan lebih dulu mencuri energinya. Nitrogen berpendar biru dan ungu.

Aurora di utara dan selatan bersinar bersamaan, hampir seperti bayangan cermin satu sama lain. Planet lain yang punya medan magnet juga memilikinya: aurora Jupiter lebih besar daripada seluruh Bumi.

Badai Mei 2024

Ini badai terkuat sejak 2003. Aurora terlihat sejauh Meksiko, India, dan Namibia dari kutub, dan pada Juni satelit CIRBE milik NASA menemukan dua sabuk partikel baru yang ditinggalkannya di antara sabuk Van Allen.

Seiring badai mengalirkan energi, cincin cahaya meluas jauh ke arah khatulistiwa, dan jutaan orang melihat aurora untuk pertama kalinya. Kamera ponsel menangkap lebih banyak daripada mata: kamera merekam merah dan merah muda samar yang nyaris tak terlihat oleh mata kita di malam hari.

Badai antariksa juga menjangkau teknologi kita. Posisi GPS bergeser, sehingga traktor yang dikemudikan satelit keluar dari barisannya di tengah musim tanam musim semi di Amerika Utara. Udara atas yang memanas mengembang dan menghambat satelit rendah, dan ribuan di antaranya harus menyalakan mesin untuk mempertahankan orbitnya.

Badai itu juga meninggalkan sesuatu yang baru. Pada Juni, CIRBE, satelit NASA seukuran kotak sepatu, menemukan dua sabuk baru di antara sabuk Van Allen, salah satunya berisi proton, susunan yang belum pernah terlihat. Sabuk elektron memudar setelah sekitar tiga bulan; yang lainnya bertahan jauh lebih lama.

Meski begitu, ini bukan badai terkuat yang tercatat. Pada 1859, Peristiwa Carrington menyalakan aurora hingga ke daerah tropis dan membuat kabel telegraf memercikkan bunga api. Badai seperti itu hari ini bisa menimbulkan kerusakan jauh lebih besar, karena itulah Matahari diawasi sepanjang waktu.