Revolutioner i forståelsen af ​​ionosfæren, Jorder grænseflade til rummet

Forskere fra NASA og tre universiteter har præsenteret nye opdagelser om, hvordan varme og energi bevæger sig og manifesterer sig i ionosfæren, et område af Jordens atmosfære, der reagerer på ændringer fra både rummet ovenover og Jorden under.

Langt over jordens overflade, i den spinkle øvre atmosfære, er et hav af partikler, der er blevet delt i positive og negative ioner af solens hårde ultraviolette stråling. Kaldes ionosfæren, dette er Jordens grænseflade til rummet, området, hvor Jordens neutrale atmosfære og terrestriske vejr giver plads til det rummiljø, der dominerer det meste af resten af ​​universet – et miljø, der er vært for ladede partikler og et komplekst system af elektriske og magnetiske felter. Ionosfæren er både formet af bølger fra atmosfæren nedenunder og reagerer unikt på de skiftende forhold i rummet, formidle sådan rumvejr til observerbare, Jord-effektive fænomener - skaber nordlys, forstyrre kommunikationssignaler, og nogle gange forårsager satellitproblemer.

Mange af disse effekter er ikke velforståede, forlader ionosfæren, for det meste, et område med mystik. Forskere fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, det katolske universitet i Amerika i Washington, D.C., University of Colorado Boulder, og University of California, Berkeley, præsenterede nye resultater om ionosfæren på efterårsmødet i American Geophysical Union den 14. december, 2016, i San Francisco.

En forsker forklarede, hvordan interaktionen mellem ionosfæren og et andet lag i atmosfæren, termosfæren, modvirke opvarmning i termosfæren - opvarmning, der fører til udvidelse af den øvre atmosfære, som kan forårsage for tidlig orbital henfald. En anden forsker beskrev, hvordan energi uden for ionosfæren akkumuleres, indtil den udlades - ikke ulig lyn - og tilbyder en forklaring på, hvordan energi fra rumvejret krydser over i ionosfæren. En tredje videnskabsmand diskuterede to kommende NASA-missioner, der vil give vigtige observationer af denne region, hjælper os med bedre at forstå, hvordan ionosfæren reagerer både på rumvejr og på terrestrisk vejr.

Ændringer i ionosfæren er primært drevet af solens aktivitet. Selvom det kan forekomme uforanderligt for os på jorden, vores sol er, faktisk, en meget dynamisk, aktiv stjerne. At se solen i ultraviolette bølgelængder af lys fra rummet - over vores UV-lysblokerende atmosfære - afslører konstant aktivitet, inklusive lysudbrud, partikler, og magnetiske felter.

Lejlighedsvis, solen frigiver enorme skyer af partikler og magnetiske felter, der eksploderer ud fra solen med mere end en million miles i timen. Disse kaldes koronale masseudstødninger, eller CME'er. Når en CME når Jorden, dets indlejrede magnetfelter kan interagere med Jordens naturlige magnetfelt - kaldet magnetosfæren - nogle gange komprimerer det eller endda får dele af det til at justere sig.

Det er denne omlægning, der overfører energi til Jordens atmosfæriske system, ved at sætte gang i en kædereaktion af skiftende elektriske og magnetiske felter, der kan sende de partikler, der allerede er fanget nær Jorden, i alle retninger. Disse partikler kan derefter skabe en af ​​de mest genkendelige og ærefrygtindgydende rumvejrbegivenheder - nordlyset, ellers kendt som nordlyset.

Men overførslen af ​​energi til atmosfæren er ikke altid så uskadelig. Det kan også opvarme den øvre atmosfære - hvor satellitter med lav jord kredser - og få den til at udvide sig som en varmluftballon.

"Denne hævelse betyder, at der er flere ting i højere højder, end vi ellers ville forvente, " sagde Delores Knipp, en rumforsker ved University of Colorado Boulder. "De ekstra ting kan trække på satellitter, forstyrrer deres baner og gør dem sværere at spore."

Dette fænomen kaldes satellitmodstand. Ny forskning viser, at denne forståelse af den øvre atmosfæres reaktion på solstorme - og den deraf følgende satellitmodstand - måske ikke altid holder stik.

"Vores grundlæggende forståelse har været, at geomagnetiske storme sætter energi ind i jordsystemet, hvilket fører til hævelse af termosfæren, som kan trække satellitter ned i lavere baner, " sagde Knipp, ledende forsker på disse nye resultater. "Men det er ikke altid tilfældet."

Sommetider, energien fra solstorme kan udløse en kemisk reaktion, der producerer en forbindelse kaldet nitrogenoxid i den øvre atmosfære. Nitrogenoxid virker som et kølemiddel i meget store højder, fremme energitab til rummet, så en betydelig stigning i denne forbindelse kan forårsage et fænomen kaldet overkøling.

"Overafkøling får atmosfæren til hurtigt at kaste energi fra den geomagnetiske storm meget hurtigere end forventet, " sagde Knipp. "Det er som om termostaten til den øvre atmosfære satte sig fast på den 'cool' indstilling."

Det hurtige tab af energi modvirker den tidligere udvidelse, får den øvre atmosfære til at kollapse igen - nogle gange til en endnu mindre tilstand, end den startede i, efterlader satellitter, der rejser gennem områder med lavere tæthed end forventet.

En ny analyse foretaget af Knipp og hendes team klassificerer de typer storme, der sandsynligvis vil føre til denne overafkøling og hurtige kollaps i den øvre atmosfære. Ved at sammenligne over et årti af målinger fra Department of Defense-satellitter og NASAs termosfære, Ionosfæren, Mesosfærens energi og dynamik, eller TIMER, mission, forskerne var i stand til at se mønstre i energi, der bevægede sig gennem den øvre atmosfære.

"Overafkøling vil mest sandsynligt ske, når meget hurtige og magnetisk organiserede udstødninger fra solen rasler Jordens magnetfelt, " sagde Knipp. "Langsomme skyer eller dårligt organiserede skyer har bare ikke den samme effekt."

Det betyder at, kontraintuitivt, de mest energiske solstorme vil sandsynligvis give en netto afkølende og krympende effekt på den øvre atmosfære, snarere end at opvarme og udvide det, som det tidligere var blevet forstået.

Konkurrerende med denne afkølingsproces er den opvarmning, der forårsages af solstormenergi, der trænger ind i Jordens atmosfære. Selvom forskere har vidst, at solvindenergi til sidst når ionosfæren, de har ikke forstået meget om hvor, hvornår og hvordan denne overførsel finder sted. Nye observationer viser, at processen er lokaliseret og impulsiv, og til dels afhængig af selve ionosfærens tilstand.

Traditionelt, forskere har troet, at den måde, energi bevæger sig gennem Jordens magnetosfære og atmosfære, er bestemt af egenskaberne af de indkommende partikler og magnetfelter i solvinden - f.eks. hen ad, en jævn strøm af solpartikler ville give andre effekter end en hurtigere, mindre konsistent strøm. Imidlertid, nye data viser, at den måde, energi bevæger sig på, er meget tættere knyttet til de mekanismer, som magnetosfæren og ionosfæren er forbundet med.

"Energioverførselsprocessen viser sig at være meget lig den måde, lyn dannes under et tordenvejr, " sagde Bob Robinson, en rumforsker ved NASA Goddard og det katolske universitet i Amerika.

Under et tordenvejr, en opbygning af elektrisk potentialforskel - kaldet spænding - mellem en sky og jorden fører til en pludselig, voldsom udladning af den elektriske energi i form af lyn. Denne udladning kan kun ske, hvis der er en elektrisk ledende vej mellem skyen og jorden, kaldet en leder.

Tilsvarende solvinden, der rammer magnetosfæren, kan opbygge en spændingsforskel mellem forskellige områder af ionosfæren og magnetosfæren. Elektriske strømme kan dannes mellem disse områder, skabe den ledende bane, der er nødvendig for, at den opbyggede elektriske energi kan udledes i ionosfæren som en slags lyn.

"Terrestrisk lyn tager flere millisekunder at opstå, mens dette magnetosfære-ionosfære 'lyn' varer i flere timer - og mængden af ​​overført energi er hundrede til tusinder af gange større, " sagde Robinson, ledende forsker på disse nye resultater. Disse resultater er baseret på data fra den globale Iridium-satellitkommunikationskonstellation.

Fordi solstorme forstærker de elektriske strømme, der lader dette magnetosfære-ionosfære-lyn finde sted, denne type energioverførsel er meget mere sandsynlig, når Jordens magnetfelt stødes af en solbegivenhed.

Den enorme energioverførsel fra dette magnetosfære-ionosfære-lyn er forbundet med opvarmning af ionosfæren og den øvre atmosfære, samt øget nordlys.

Ser frem til

Selvom videnskabsmænd gør fremskridt med at forstå de nøgleprocesser, der driver ændringer i ionosfæren og, på tur, på jorden, der er stadig meget at forstå. I 2017 NASA lancerer to missioner for at undersøge denne dynamiske region:Ionospheric Connection Explorer, eller ICON, og globale observationer af lemmer og disk, eller GULD.

"Ionosfæren reagerer ikke kun på energitilførsel fra solstorme, " sagde Scott England, en rumforsker ved University of California, Berkeley, der arbejder på både ICON og GOLD missionerne. "Terrestrisk vejr, som orkaner og vindmønstre, kan forme atmosfæren og ionosfæren, ændre, hvordan de reagerer på rumvejr."

ICON vil samtidig måle egenskaberne af ladede partikler i ionosfæren og neutrale partikler i atmosfæren - inklusive dem, der er formet af terrestrisk vejr - for at forstå, hvordan de interagerer. GULD vil tage mange af de samme målinger, men fra geostationær bane, som giver et globalt overblik over, hvordan ionosfæren ændrer sig.

Både ICON og GOLD vil drage fordel af et fænomen kaldet luftglød - det lys, der udsendes af gas, der exciteres eller ioniseres af solstråling - til at studere ionosfæren. Ved at måle lyset fra luftglød, videnskabsmænd kan spore den skiftende sammensætning, massefylde, og jævn temperatur af partikler i ionosfæren og neutral atmosfære.

ICONs position 350 miles over Jorden vil gøre det muligt for den at studere atmosfæren i profil, giver forskerne et hidtil uset blik på ionosfærens tilstand i en række højder. I mellemtiden GULDs position 22, 000 miles over Jorden vil give den mulighed for at spore ændringer i ionosfæren, når de bevæger sig hen over kloden, svarende til, hvordan en vejrsatellit sporer en storm.

"Vi vil bruge disse to missioner sammen for at forstå, hvordan dynamiske vejrsystemer afspejles i den øvre atmosfære, og hvordan disse ændringer påvirker ionosfæren, sagde England.