Solstorme udløser overraskende fænomener tæt på Jorden

Udbrud på Solens overflade sender skyer af elektrisk ladede partikler mod Jorden, producerer solstorme, der – blandt andet – kan udløse det smukke nordlys over de arktiske egne.

Men stormene kan også have stor indflydelse på effektiviteten af ​​kommunikations- og navigationssystemer på høje breddegrader. Det er derfor vigtigt at studere fænomenerne.

Ny forskning fra DTU Space og University of New Brunswick (Prof. Richard Langley), NASA Jet Propulsion Laboratory (Dr. Attila Komjathy) og University of Illinois (Dr. Mark D. Butala) viser, at, tilsyneladende, der er en overraskende og ukendt mekanisme i spil under solstorme. Under solstorme, store udbrud af elektroner sendes normalt ind i den del af Jordens atmosfære, der kaldes ionosfæren, som starter omkring 80 kilometer over Jorden.

Dette fænomen opstår især på høje breddegrader. Det sker, fordi det magnetiske felt, der er skabt ved udbruddet på Solen, forstyrrer Jordens magnetfelt. Det åbner, så at sige, op for at tillade partikler og elektroner - der ellers ville blive reflekteret - at trænge ind i ionosfæren.

Det er et kendt fænomen. Men det viser sig, at elektroner samtidig forsvinder fra store områder, hvilket ikke er påvist tidligere.

"Vi foretog omfattende målinger i forbindelse med en specifik solstorm over Arktis i 2014, og her fandt vi ud af, at elektroner i store mængder nærmest støvsuges fra områder, der strækker sig over 500 til 1, 000 kilometer. Det finder sted lige syd for et område med kraftige stigninger i elektrontæthed, kendt som patches, " siger professor Per Høeg fra DTU Space.

Resultaterne af forskningen blev for nylig offentliggjort på forsiden af ​​det berømte videnskabelige tidsskrift Radiovidenskab . Opdagelsen er en vigtig brik i puslespillet med at forstå solstorme og deres indvirkning på Jordens ionosfære.

Det er en overraskende opdagelse, som vi ikke havde regnet med. Vi kan se, at det sker, men vi ved ikke hvorfor. Imidlertid, andre datasæt fra Canada understøtter indirekte vores nye observationer, ”siger Per Høeg.

Dramatiske ændringer i magnetfeltet

Forklaringen på fænomenet skal formentlig findes i de geomagnetiske processer i Jordens magnetfelt i en retning væk fra Solen. Magnetfeltets sammensætning undergår dramatiske ændringer i området mellem solvinden og Jordens magnetfelt, udløser et kraftigt energiudbrud.

"Forløberen til fænomenet er et voldsomt udbrud på Solens overflade - også kendt som coronal mass ejections eller CME, hvor bobler af varmt plasma og gas i form af partikler, elektroner, og et magnetfelt slynges i retning af Jorden, siger Per Høeg.

Da den geomagnetiske solstorm fandt sted i ionosfæren over Arktis i februar 2014, det blev målt via satellitter og landbaserede målestationer. Blandt andet, via GPS-netværket GNET i Grønland – som DTU hjælper med at køre – via DTU's geomagnetiske målestationer, det globale navigationssystem GPS, og forskellige amerikanske og canadiske satellitter. Dermed, store datamængder fra solstormen blev registreret.

Forskningen rækker langt ud over opdagelsen af, at elektroner trækkes ud under solstorme. Tibor Durgonics, Ph.d.-studerende ved DTU Space og hovedforfatter til den nye artikel i Radiovidenskab :

"Der er to aspekter af denne forskning. Den kan begge bruges til en række praktiske formål, og så er der en teoretisk del, som handler om at opnå en bedre grundlæggende forståelse af disse fænomener.

"Vores arbejde kan bidrage til at gøre navigation mere pålidelig under ionosfæriske storme i den arktiske region. Vores nye forskning har gjort os i stand til at identificere en række kritiske faktorer, der påvirker kvaliteten af ​​satellitbaseret navigation, og at vurdere sandsynligheden for, hvornår disse faktorer kan forekomme. På et mere teoretisk niveau, vi har fundet ud af, at under solstorme, elektroner fjernes i ionosfæren, hvilket er det modsatte af, hvad du intuitivt ville forvente."

Når magnetfeltet fra soludbrud rammer jordens magnetfelt i ionosfæren, deres kraftfelter er blandet. Følgelig, ustabile områder-såkaldte patches-skabes i Jordens ionosfære, strækker sig over store områder nær Nordpolen. Området med pletter ved polarhætten kan strække sig over 500 til 1, 000 kilometer med elektronhastigheder over 1, 000 meter i sekundet. Dette giver anledning til kraftigt bølgende nordlys og skaber turbulente forhold.

Forstyrrer navigations- og kommunikationssystemer

Viden om solstorme er vigtig, da kommunikation med luftbårne signaler via satellitter og radio spiller en stadig større rolle i samfundet. Solstorme kan forstyrre GPS-satellitter og deres signaler, få radiokommunikation til at mislykkes, og forårsage omfattende strømafbrydelser.

Risikoen for forstyrrelser i ionosfæren er en af ​​grundene til, at der ikke foretages rutineflyvninger over Arktis, selvom dette ville forkorte flyrejser mellem Europa og Amerika. De højfrekvente signaler, der bruges af kommercielle flyvninger over Grønland, vil blive udsat for interferens under solstorme. Evnen til at forudsige og tage højde for den slags forhold er derfor vigtig for fremtidens kommercielle flytrafik i regionen. Det samme gælder for søtrafikken i Arktis.

Professor Per Høeg håber, at arbejdet på DTU Space – udover at sikre mere viden om fænomenet – vil bidrage til udviklingen af ​​kommunikations- og navigationssystemer, der kan tage højde for forhold under solstorme for at sikre sikker flyvning og sejlads i polaren hætteområder.

DTU Space deltager i øjeblikket i flere forskningsprojekter under ESA og EU's Horizon 2020-program, som udvikler systemer, der kan håndtere forholdene under rumvejr og solstormforhold for luftfart og søtrafik, blandt andet.