Dag til nat og tilbage igen:Jordens ionosfære under den totale solformørkelse

Den 21. august kl. 2017, Månen vil glide foran Solen og et kort øjeblik, dag vil smelte til en mørk nat. Flytter rundt i landet, månens skygge vil blokere solens lys, og vejret tillader det dem inden for helhedens vej vil blive behandlet med udsigt til Solens ydre atmosfære, kaldte corona.

Men den totale solformørkelse vil også have umærkelige virkninger, såsom det pludselige tab af ekstrem ultraviolet stråling fra solen, som genererer det ioniserede lag af Jordens atmosfære, kaldet ionosfæren. Denne stadigt skiftende region vokser og krymper baseret på solforhold, og er i fokus for flere NASA-finansierede videnskabsteam, der vil bruge formørkelsen som et færdigt eksperiment, høflighed af naturen.

NASA drager fordel af formørkelsen 21. august ved at finansiere 11 jordbaserede videnskabelige undersøgelser i hele USA. Tre af disse vil se til ionosfæren for at forbedre vores forståelse af Solens forhold til denne region, hvor satellitter kredsløb og radiosignaler reflekteres tilbage mod Jorden.

"Formørkelsen slukker ionosfærens kilde til højenergistråling, "sagde Bob Marshall, en rumforsker ved University of Colorado Boulder og hovedforsker for et af undersøgelserne. "Uden ioniserende stråling, ionosfæren vil slappe af, gå fra dagtimeforhold til natforhold og derefter tilbage igen efter formørkelsen. "

Strækker sig fra cirka 50 til 400 miles over Jordens overflade, den svage ionosfære er et elektrificeret lag af atmosfæren, der reagerer på ændringer fra både jorden under og rummet over. Sådanne ændringer i den lavere atmosfære eller rumvejr kan manifestere sig som forstyrrelser i ionosfæren, der kan forstyrre kommunikations- og navigationssignaler.

"I vores levetid, dette er den bedste formørkelse at se, "sagde Greg Earle, en elektriker og computeringeniør hos Virginia Tech i Blacksburg, Virginia, der leder en anden af ​​undersøgelserne. "Men vi har også et tættere netværk af satellitter, GPS- og radiotrafik end nogensinde før. Det er første gang, vi har sådan et væld af oplysninger til at studere virkningerne af denne formørkelse; vi drukner i data. "

At fastgøre ionosfærisk dynamik kan være vanskelig. "Sammenlignet med synligt lys, solens ekstreme ultraviolette output er meget variabel, "sagde Phil Erickson, en hovedforsker af en tredje undersøgelse og rumforsker ved Massachusetts Institute of Technology's Haystack Observatory i Westford, Massachusetts. "Det skaber variation i ionosfærisk vejr. Fordi vores planet har et stærkt magnetfelt, ladede partikler påvirkes også langs magnetfeltlinjer over hele planeten - alt dette betyder, at ionosfæren er kompliceret. "

Men da helheden rammer den 21. august, forskere ved præcis, hvor meget solstråling der er blokeret, det areal, det er blokeret over, og hvor længe. Kombineret med målinger af ionosfæren under formørkelsen, de vil have oplysninger om både solindgang og tilsvarende ionosfærerespons, gør dem i stand til at studere mekanismerne bag ionosfæriske ændringer bedre end nogensinde før.

At binde de tre undersøgelser sammen er brugen af ​​automatiseret kommunikation eller navigationssignaler til at undersøge ionosfærens adfærd under formørkelsen. Under typiske dag-nat-cykler, koncentrationen af ​​ladede atmosfæriske partikler, eller plasma, vokser og aftager med solen.

"I dagtimerne, ionosfærisk plasma er tæt, "Sagde Earle." Når solen går ned, produktionen forsvinder, ladede partikler rekombineres gradvist gennem natten, og densiteten falder. Under formørkelsen, vi forventer den proces i et meget kortere interval. "

Jo tættere plasma, jo mere sandsynligt er det, at disse signaler støder ind i ladede partikler undervejs fra signalsenderen til modtageren. Disse interaktioner bryder, eller bøje, den vej, signalerne tager. I den formørkelsesfremkaldte kunstige nat forventer forskerne stærkere signaler, da atmosfæren og ionosfæren vil optage mindre af den overførte energi.

"Hvis vi opretter en modtager et eller andet sted, målinger på det sted giver information om ionosfærens del mellem senderen og modtageren, "Marshall sagde." Vi bruger modtagerne til at overvåge fasen og amplituden af ​​signalet. Når signalet vrikker op og ned, det er helt frembragt af ændringer i ionosfæren. "

Ved hjælp af en række forskellige elektromagnetiske signaler, hvert af holdene sender signaler frem og tilbage på tværs af helhedens vej. Ved at overvåge, hvordan deres signaler spredes fra sender til modtager, de kan kortlægge ændringer i ionosfærisk densitet. Holdene vil også bruge disse teknikker til at indsamle data før og efter formørkelsen, så de kan sammenligne det veldefinerede formørkelsesrespons med regionens baseline adfærd, giver dem mulighed for at skelne de formørkelsesrelaterede effekter.

Undersøgelse af ionosfæren

Ionosfæren er groft opdelt i tre regioner i højden baseret på hvilken bølgelængde af solstråling absorberes:D, E og F, hvor D er den nederste region og F, det øverste. I kombination, de tre eksperimenthold vil studere hele ionosfæren.

Marshall og hans team, fra University of Colorado Boulder, vil undersøge D-regionens reaktion på formørkelsen med meget lav frekvens, eller VLF, radiosignaler. Dette er den laveste og mindst tætte del af ionosfæren - og på grund af det, mindst forstået.

"Bare fordi tætheden er lav, betyder ikke, at det er uvæsentligt, "Sagde Marshall." D-regionen har konsekvenser for kommunikationssystemer, der aktivt bruges af mange militære, flåde- og ingeniøroperationer. "

Marshalls team vil drage fordel af den amerikanske flådes eksisterende netværk af kraftfulde VLF-sendere til at undersøge D-regionens reaktion på ændringer i soludgang. Radiobølgetransmissioner sendt fra Lamoure, North Dakota, vil blive overvåget på modtagestationer på tværs af formørkelsesbanen i Boulder, Colorado, og Bear Lake, Utah. De planlægger at kombinere deres data med observationer fra flere rumbaserede missioner, herunder NOAAs geostationære operationelle miljømæssige satellit, NASAs Solar Dynamics Observatory og NASAs Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, at karakterisere virkningen af ​​solens stråling på dette særlige område af ionosfæren.

Erickson og team vil kigge længere op, til E- og F-regionerne i ionosfæren. Brug af mere end 6, 000 jordbaserede GPS-sensorer sammen med kraftfulde radarsystemer ved MIT's Haystack Observatory og Arecibo Observatory i Puerto Rico, sammen med data fra flere NASA-rumbaserede missioner, det MIT-baserede team vil også arbejde med borgerradioforskere, der vil sende radiosignaler frem og tilbage over lange afstande over stien.

MITs videnskabsteam vil bruge deres data til at spore rejser i ionosfæriske forstyrrelser-som undertiden er ansvarlige for rumvejrsmønstre i den øvre atmosfære-og deres store effekter. Disse forstyrrelser i ionosfæren er ofte knyttet til et fænomen kendt som atmosfæriske tyngdekraftsbølger, som også kan udløses af formørkelser.

"Vi kan endda se effekter i global skala, "Sagde Erickson." Jordens magnetfelt er som en ledning, der forbinder to forskellige halvkugler med hinanden. Når der sker elektriske variationer på en halvkugle, de dukker op i den anden. "

Earle og hans Virginia Tech-baserede team vil stationere sig over hele landet i Bend, Oregon; Holton, Kansas; og Shaw Air Force Base i Sumter, South Carolina. Ved hjælp af state-of-the-art transceiver instrumenter kaldet ionosonder, de vil måle ionosfærens højde og tæthed, og kombinere deres målinger med data fra et landsdækkende GPS-netværk og signaler fra skinkeradioen Reverse Beacon Network. Teamet vil også bruge data fra SuperDARN højfrekvente radarer, hvoraf to ligger langs formørkelsesstien i Christmas Valley, Oregon, og Hays, Kansas.

"Vi ser på undersiden af ​​F-regionen, og hvordan den ændrer sig under formørkelsen, "Earle sagde." Dette er den del af ionosfæren, hvor ændringer i signaludbredelse er stærke. "Deres arbejde kan en dag hjælpe med at afbøde forstyrrelser i udbredelsen af ​​radiosignaler, som kan påvirke AM -udsendelser, skinke radio og GPS signaler.

Ultimativt, forskerne planlægger at bruge deres data til at forbedre modeller for ionosfærisk dynamik. Med disse hidtil usete datasæt, de håber at forbedre vores forståelse af denne forvirrende region.

"Andre har studeret formørkelser gennem årene, men med mere instrumentering, vi bliver ved med at blive bedre til vores evne til at måle ionosfæren, "Erickson sagde." Det afdækker normalt spørgsmål, som vi aldrig havde tænkt at stille. "