NASA registrerer soludbrudsimpulser ved Solen og Jorden

Når vores sol bryder ud med gigantiske eksplosioner – såsom udbrud af stråling kaldet soludbrud – ved vi, at de kan påvirke rummet i hele solsystemet såvel som nær Jorden. Men at overvåge deres virkninger kræver observatorier mange steder med mange perspektiver, på samme måde som vejrsensorer over hele Jorden kan hjælpe os med at overvåge, hvad der sker med en terrestrisk storm.

Ved at bruge flere observatorier, to nyere undersøgelser viser, hvordan soludbrud udviser pulser eller svingninger i mængden af ​​energi, der sendes ud. Sådan forskning giver ny indsigt i oprindelsen af ​​disse massive soludbrud såvel som det rumvejr, de producerer, som er nøgleinformation, når mennesker og robotmissioner begiver sig ud i solsystemet, længere og længere hjemmefra.

Den første undersøgelse opdagede svingninger under en flare – uventet – i målinger af Solens samlede output af ekstrem ultraviolet energi, en type lys, der er usynlig for menneskelige øjne. Den 15. feb. 2011, Solen udsendte et soludbrud af X-klasse, den mest kraftfulde slags af disse intense udbrud af stråling. Fordi videnskabsmænd havde flere instrumenter, der observerede begivenheden, de var i stand til at spore svingninger i blussets stråling, sker samtidigt i flere forskellige sæt observationer.

"Enhver form for oscillation på Solen kan fortælle os meget om det miljø, som oscillationerne finder sted i, eller om den fysiske mekanisme, der er ansvarlig for at fremkalde ændringer i emission, " sagde Ryan Milligan, hovedforfatter af denne første undersøgelse og solfysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og University of Glasgow i Skotland. I dette tilfælde, de regelmæssige pulser af ekstremt ultraviolet lys indikerede forstyrrelser - beslægtet med jordskælv - bølgede gennem kromosfæren, bunden af ​​Solens ydre atmosfære, under blussen.

Det, der overraskede Milligan ved svingningerne, var det faktum, at de først blev observeret i ekstreme ultraviolette data fra NOAA's GOES - en forkortelse for Geostationary Operation Environmental Satellite, som opholder sig i det nære Jord-rum. Missionen studerer Solen fra Jordens perspektiv, indsamling af røntgen- og ekstrem ultraviolet strålingsdata - den samlede mængde af Solens energi, der når Jordens atmosfære over tid.

Dette var ikke et typisk datasæt for Milligan. Mens GOES hjælper med at overvåge virkningerne af soludbrud i Jordens rummiljø - kendt under ét som rumvejr - var satellitten ikke oprindeligt designet til at opdage fine detaljer som disse svingninger.

Når man studerer soludbrud, Milligan bruger mere almindeligt højopløsningsdata om et specifikt aktivt område i solens atmosfære til at studere de fysiske processer, der ligger til grund for flares. Dette er ofte nødvendigt for at zoome ind på begivenheder i et bestemt område - ellers kan de let gå tabt på baggrund af Solens konstant, intens stråling.

"Udbrændinger i sig selv er meget lokaliserede, så det var meget slående for oscillationerne at blive detekteret over baggrundsstøjen fra Solens regelmæssige emissioner og dukke op i irradiansdataene, " sagde Milligan.

Der har været tidligere rapporter om svingninger i GOES røntgendata, der kommer fra Solens øvre atmosfære, kaldet corona, under soludbrud. Det unikke i dette tilfælde er, at pulserne blev observeret i ekstrem ultraviolet emission ved frekvenser, der viser, at de stammer fra lavere, i kromosfæren, giver flere oplysninger om, hvordan en flares energi bevæger sig gennem solens atmosfære.

For at være sikker på, at svingningerne var reelle, Milligan og hans kolleger kontrollerede tilsvarende data fra andre solobservationsinstrumenter ombord på NASAs Solar Dynamics Observatory eller SDO, kort sagt:en, der også indsamler ekstreme ultraviolette strålingsdata og en anden, der afbilder koronaen i forskellige bølgelængder af lys. De fandt nøjagtig de samme impulser i disse datasæt, bekræfter, at de var et fænomen med sin kilde ved Solen. Deres resultater er sammenfattet i et papir offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters den 9. okt. 2017.

Disse svingninger interesserer videnskabsmændene, fordi de kan være resultatet af en mekanisme, hvorved flares udsender energi til rummet - en proces, vi endnu ikke helt forstår. Derudover det faktum, at svingningerne optrådte i datasæt, der typisk bruges til at overvåge større rummønstre, tyder på, at de kunne spille en rolle i at drive rumvejreffekter.

I den anden undersøgelse, forskere undersøgte en sammenhæng mellem soludbrud og aktivitet i Jordens atmosfære. Holdet opdagede, at pulser i det elektrificerede lag af atmosfæren - kaldet ionosfæren - spejlede røntgensvingninger under en 24. juli, 2016, C-klasse flare. C-klasse-blus er af middel til lav intensitet, og omkring 100 gange svagere end X-flares.

Strækker sig fra omkring 30 til 600 miles over jordens overflade, ionosfæren er et stadigt skiftende område af atmosfæren, der reagerer på ændringer fra både Jorden under og rummet ovenover. Det svulmer som reaktion på indkommende solstråling, som ioniserer atmosfæriske gasser, og slapper af om natten, da de ladede partikler gradvist rekombinerer.

I særdeleshed, holdet af videnskabsmænd - ledet af Laura Hayes, en solfysiker, der deler sin tid mellem NASA Goddard og Trinity College i Dublin, Irland, og hendes specialerådgiver Peter Gallagher – så på, hvordan det laveste lag af ionosfæren, kaldet D-regionen, reagerede på pulseringer i et soludbrud.

"Dette er den region af ionosfæren, der påvirker højfrekvente kommunikationer og navigationssignaler, " sagde Hayes. "Signaler rejser gennem D-regionen, og ændringer i elektrontætheden påvirker, om signalet absorberes, eller forringet."

Forskerne brugte data fra meget lav frekvens, eller VLF, radiosignaler for at undersøge blussets virkninger på D-regionen. Disse var standard kommunikationssignaler transmitteret fra Maine og modtaget i Irland. Jo tættere ionosfæren er, jo mere sandsynligt er det, at disse signaler løber ind i ladede partikler undervejs fra en signalsender til dens modtager. Ved at overvåge, hvordan VLF-signalerne forplanter sig fra den ene ende til den anden, forskere kan kortlægge ændringer i elektrontæthed.

Ved at samle VLF-data og røntgen- og ekstreme ultraviolette observationer fra GOES og SDO, holdet fandt, at D-regionens elektrontæthed pulserede i overensstemmelse med røntgenimpulser på Solen. De offentliggjorde deres resultater i Journal of Geophysical Research den 17. okt. 2017.

"Røntgenstråler rammer ionosfæren, og fordi mængden af ​​røntgenstråling, der kommer ind, ændrer sig, mængden af ​​ionisering i ionosfæren ændres også, " sagde Jack Ireland, en medforfatter på begge studier og Goddard solfysiker. "Vi har set røntgensvingninger før, men den oscillerende ionosfære-respons er ikke blevet opdaget tidligere."

Hayes og hendes kolleger brugte en model til at bestemme, hvor meget elektrondensiteten ændrede sig under opblussen. Som reaktion på indkommende stråling, de fandt ud af, at tætheden steg så meget som 100 gange på bare 20 minutter under pulserne - en spændende observation for de videnskabsmænd, der ikke forventede, at oscillerende signaler i en flare ville have en så mærkbar effekt i ionosfæren. Med yderligere undersøgelse, holdet håber at forstå, hvordan ionosfæren reagerer på røntgensvingninger på forskellige tidsskalaer, og om andre soludbrud fremkalder denne reaktion.

"Dette er et spændende resultat, viser, at Jordens atmosfære er tættere forbundet med solens røntgen-variabilitet end tidligere antaget, " sagde Hayes. "Nu planlægger vi at udforske dette dynamiske forhold mellem Solen og Jordens atmosfære yderligere."

Begge disse undersøgelser udnyttede det faktum, at vi i stigende grad er i stand til at spore solaktivitet og rumvejr fra en række udsigtspunkter. Forståelse af rumvejret, der påvirker os på Jorden, kræver forståelse af et dynamisk system, der strækker sig fra Solen hele vejen til vores øvre atmosfære - et system, der kun kan forstås ved at udnytte en bred vifte af missioner spredt ud i rummet.