Forskere ringer ind til termostaten i Jordens øvre atmosfære

Et hold ledet af University of Colorado Boulder har fundet mekanismen bag den pludselige indtræden af ​​en "naturlig termostat" i Jordens øvre atmosfære, der dramatisk afkøler luften, efter at den er blevet opvarmet af voldsom solaktivitet.

Forskere har vidst, at soludbrud og koronale masseudstødninger (CME'er) - som frigiver elektrisk ladet plasma fra solen - kan beskadige satellitter, forårsage strømafbrydelser på jorden og forstyrre GPS-tjenesten. CME'er er kraftige nok til at sende milliarder af tons solpartikler skrigende mod Jorden med mere end 1 million miles i timen, sagde CU Boulder-professor Delores Knipp fra Institut for Luftfartsingeniørvidenskab.

Nu, Knipp og hendes team har fastslået, at når sådanne kraftige CME'er kommer fra solen og suser mod Jorden, de skaber chokbølger ligesom supersoniske fly skaber soniske boom. Mens chokbølgerne fra CME'er hælder energi ind i Jordens øvre atmosfære, puster det op og opvarmer det, de forårsager også dannelsen af ​​det sporkemiske nitrogenoxid, som derefter hurtigt afkøles og krymper det, hun sagde.

"Hvad der er nyt er, at vi har bestemt de omstændigheder, hvorunder den øvre atmosfære går ind i denne næsten overkølende tilstand efter betydelig opvarmning, " sagde Knipp, også medlem af CU Boulders Colorado Center for Astrodynamics Research. "Det er lidt ligesom at have en termostat, der sidder fast - det er virkelig et tilfælde af, at naturen tøjler sig selv."

Knipp holdt en præsentation på efterårsmødet 2016 i American Geophysical Union, der blev afholdt i San Francisco 12. december til 16. december. Præsentationen var knyttet til en kommende artikel, der er planlagt til at blive offentliggjort i tidsskriftet Rumvejr .

Solstorme kan forårsage dramatiske ændringer i temperaturerne i den øvre atmosfære, inklusive ionosfæren, som spænder fra omkring 30 miles i højden til omkring 600 miles høj - kanten af ​​rummet. Mens CME-materiale, der slår ind i Jordens atmosfære, kan forårsage temperaturstigninger på op til 750 grader Fahrenheit, den nitrogenoxid, der dannes af energiinfusionen, kan efterfølgende afkøle den med omkring 930 F, sagde Knipp.

Nøglen til at løse mysteriet kom, da Knipp gennemgik satellitdata fra en alvorlig solstorm, der ramte Jorden i 1967. "Jeg fandt en grafik begravet dybt i et længe glemt manuskript, sagde hun. Det foreslog mig endelig, hvad der virkelig skete.

Fordi den øvre atmosfære udvider sig under CME'er, satellitter i lav kredsløb om Jorden er tvunget til at bevæge sig gennem yderligere gasformige partikler, får dem til at opleve mere træk. Satellitmodstand - en stor bekymring for regeringer og luftfartsselskaber - forårsager henfald i rumfartøjers kredsløb, som efterfølgende brænder op i atmosfæren.

Som en del af den nye undersøgelse, Knipp og hendes kolleger sammenlignede to 15 år lange satellitdatasæt. Den ene var fra Sounding of the Atmosphere ved hjælp af Broadband Emission Radiometry (SABRE) instrument, der kørte på NASA's TIMED satellit. Den anden var fra data indsamlet af det amerikanske forsvarsministeriums satellitter.

"Vi fandt ud af, at det hurtigste materiale, der strømmede fra solen, udløste disse chokbølger, får atmosfæren til at hæve og varme op, " sagde hun. "Men det blev meget tydeligt, at disse chokbølger var roden til at skabe nitrogenoxiden, hvilket fik atmosfæren til at kaste energi og afkøles."

SABRE har indsamlet data om nitrogenoxid i atmosfæren siden lanceringen i 2001, følger i hælene på en anden nitrogenoxid-målesatellit kendt som Student Nitric Oxide Explorer (SNOE). Lanceret i 1998, SNOE involverede mere end 100 CU Boulder-studerende, primært studerende, i dets design og konstruktion. En gang i kredsløb, SNOE blev kontrolleret af studerende på campus 24 timer i døgnet i næsten seks år.

Geomagnetiske storme har haft alvorlige indvirkninger på Jorden. En storm i 1989 forårsaget af en CME resulterede i sammenbruddet af Hydro-Quebecs eltransmissionssystem, får seks millioner canadiere til at miste magten. I 1859 producerede en solstorm kaldet Carrington Event nordlys fra Nordpolen til Mellemamerika og forstyrrede telegrafkommunikationen, endda udløste brande på telegrafkontorer, der forårsagede flere dødsfald.