Forståelse af nordlysdannelse med ESAs klyngemission

Jordens nordlys dannes, når ladede partikler fra magnetosfæren rammer molekyler i atmosfæren, energigivende eller endda ionisere dem. Når molekylerne slapper af til grundtilstanden, de udsender en foton af synligt lys i en karakteristisk farve. Disse kolliderende partikler - hovedsageligt elektroner - accelereres af lokaliserede elektriske felter parallelt med det lokale magnetfelt, der forekommer i et område, der spænder over flere jordradier.

Bevis på disse elektriske felter er blevet leveret af raket- og rumfartøjsmissioner, der går så langt tilbage som 1960'erne, endnu er ingen endelig dannelsesmekanisme blevet accepteret. For korrekt at skelne mellem en række hypoteser, forskere har brug for en bedre forståelse af den rumlige og tidsmæssige fordeling og udvikling af disse felter. Da Den Europæiske Rumorganisations (ESA) Cluster-mission sænkede sin perigeum i 2008, disse observationer blev mulige.

Cluster består af fire identiske rumfartøjer, flyvning med adskillelser, der kan variere fra titusindvis af kilometer til titusinder. Samtidige observationer mellem de fire fartøjer gør det muligt for rumfysikere at udlede 3D-strukturen af ​​det elektriske felt.

Marklund og Lindqvist indsamler og opsummerer Clusters bidrag til vores forståelse af nordlysaccelerationsregionen (AAR), det område af rummet, hvor de ovenfor beskrevne processer finder sted.

Ved at indsamle et stort antal Cluster transits gennem denne region, fysikere har udledt, at AAR generelt kan findes et sted mellem 1 og 4,4 jordradier over overfladen, hvor størstedelen af ​​accelerationen finder sted i den nederste tredjedel. På trods af denne relativt brede "statistiske AAR, "accelerationsområdet på ethvert givet tidspunkt er normalt tyndt; i en observation, for eksempel, AAR var begrænset til et højdeområde på 0,4 jordradius, hvorimod det faktiske lag sandsynligvis var meget tyndere end det. Observationerne kan ikke entydigt bestemme tykkelsen af ​​det aktuelle lag, som kunne være så lille som størrelsesordenen 1 kilometer, siger forfatterne. Sådanne strukturer observeres at forblive stabile i minutter ad gangen.

Klyngemålinger har også kastet lys over sammenhængen mellem den observerede form af elektronaccelerationspotentialet og det underliggende plasmamiljø. Såkaldte S-formede potentialer opstår i nærvær af skarpe plasmadensitetsovergange, hvorimod U-formede er relateret til mere diffuse grænser. Imidlertid, rumplasmas dynamiske natur betyder, at morfologien af ​​en grænse kan skifte på tidsskalaer på minutter, som eksemplificeret ved et casestudie.

Ialt, 2 årtiers Cluster-observationer har væsentligt forbedret vores forståelse af de processer – både lokale og brede – der resulterer i vores planets smukke nordlys. Med missionerne forlænget til 2022, vi kan forvente mere indsigt i de kommende år.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Eos, vært af American Geophysical Union. Læs den originale historie her.