Eclipse 2017:Videnskab fra månens skygge

Den 11. dec. 2017, seks forskere diskuterede indledende fund baseret på observationer af Solen og på Jorden samlet under solformørkelsen, der strakte sig over Nordamerika den 21. august, 2017. Lige fra ny information om måden Solens atmosfære genererer varme på, hvordan faldet i solenergi påvirkede Jordens atmosfære, og endda hvordan man beskytter mod at forurene andre planeter med bakterier, forskerne delte deres resultater på efterårsmødet i American Geophysical Union, i New Orleans.

"Denne formørkelse gav os en mulighed for at cementere ideen om Sol-Jord-forbindelsen, " sagde Lika Guhathakurta, der stod i spidsen for NASAs videnskabelige indsats for formørkelsen den 21. august. "En række nye observationer, instrumenter og observationsplatforme blev aktiveret af denne formørkelse. Det bliver fascinerende at se, hvordan disse udvikler sig til nye forskningsplaner og ny teknologi til fremtidig brug."

Et øjeblik i Solens atmosfære

Mens totale solformørkelser sker cirka én gang hver 18. måned et eller andet sted på Jorden, augustformørkelsen var sjælden på sin lange vej over land:Den totale formørkelse varede omkring 90 minutter i alt, fra den første gang nåede Oregon-kysten til den forlod det nordamerikanske fastland i South Carolina. så længe, uafbrudt sti over land gav videnskabsmænd en sjælden ændring til at undersøge Solen og dens indflydelse på Jorden på måder, der normalt ikke er mulige.

I løbet af de få øjeblikke af en total solformørkelse, solens corona - ellers for svag til at se ved siden af ​​dens lyse ansigt - er synlig fra Jorden. Vi studerer koronaen fra rummet med instrumenter kaldet coronagraphs, som skaber kunstige formørkelser ved at bruge en metalskive til at blokere Solens ansigt.

Men de inderste områder af Solens korona i hvidt lys er kun synlige under totale solformørkelser. På grund af lysets egenskab kaldet diffraktion, en koronagrafs disk skal blokere både solens overflade og en stor del af coronaen for at få skarpe billeder. Men fordi Månen er så langt væk fra Jorden - omkring 230, 000 miles væk under augustformørkelsen - diffraktion er ikke et problem, og forskere er i stand til at måle den nederste korona meget detaljeret.

To videnskabsmænd talte ved pressebriefingen om deres forskning i coronaen:Amir Caspi, en rumforsker ved Southwest Research Institute i Boulder, Colorado, og Matt Penn, af National Solar Observatory. At studere vores sols korona giver mulighed for både at forstå, hvad der driver dens intense varme, såvel som at forbedre vores evne til at forudsige, hvornår solen kan bryde ud med gigantiske eksplosioner af solmateriale kendt som koronale masseudstødninger, som kan påvirke vores rummiljø og - når det er intenst - påvirke satellitter.

Som Caspi forklarede:Afhængigt af placering på jorden, nogen, der studerede Solen under formørkelsen 21. august, kunne indsamle op til 2 minutter og 42 sekunders data. Men Caspis projekt, finansieret af NASA, tog inspiration fra tidligere eclipse-studier for at strække den tid endnu længere. Ved hjælp af et par NASA WB-57 jetfly, Caspi og hans team havde et uafbrudt udsyn til solkoronaen i lidt over syv et halvt minut.

Selvom de oprindeligt var designet til at hjælpe med at overvåge rumfærgens opsendelser, teleskoperne – og de jetfly, som de var monteret på – var en overraskende velsignelse for solvidenskaben.

"Disse instrumenter blev ikke bygget til videnskaben; de blev genbrugt til videnskaben, " sagde Caspi. "Dette var det første luftbårne astronomiprojekt på WB-57 platformen."

Denne eftermonterede videnskab gør dataanalyse endnu mere udfordrende, da billederne skal behandles og kalibreres omhyggeligt for at afsløre nøgledetaljer om Solens magnetiske bølger og deres forhold til de ekstraordinært høje temperaturer i solkoronaen.

Matt Penn udnyttede også formørkelsens vej over land for at få et unikt sæt observationer. Citizen CATE-projektet – en forkortelse for Continental-America Telescopic Eclipse – bestod af 68 identiske små teleskoper spredt ud over helhedens vej og drevet af borgere og studerende videnskabsmænd.

"Da månens skygge forlod et af vores teleskoper, det dækkede den næste i vores netværk, " sagde Penn. "I stedet for at observere i to et halvt minut, vi kunne observere i 93 minutter."

Under formørkelsen, 61 af projektets 68 teleskoper formåede at fange koronale billeder, svarende til 82 minutters samlet observationstid ud af de 93 minutter, den totale solformørkelse var over land. Denne succes betyder, at der er en enorm mængde data for holdet at analysere - selvom Penn siger, at de var i stand til at fange detaljerede billeder af de solfunktioner, de var mest interesserede i:Hurtige solvindstrømme nær Solens nord- og sydpoler.

Udforske forbindelsen mellem Sol og Jord

Andre forskere ved briefingen præsenterede resultater om formørkelsens indvirkning tættere på hjemmet. Højt i Jordens øvre atmosfære, over ozonlaget, Solens intense stråling skaber et lag af elektrificerede partikler kaldet ionosfæren. Denne region af atmosfæren reagerer på ændringer fra både Jorden under og rummet ovenover. Sådanne ændringer i den lavere atmosfære eller rumvejr kan manifestere sig som forstyrrelser i ionosfæren, der kan forstyrre kommunikations- og navigationssignaler.

Greg Earle, fra Virginia Tech, brugte formørkelsen som et naturligt laboratorium til at teste modeller af ionosfærens virkninger på disse kommunikationssignaler. Earle og hans team brugte computermodeller til at vurdere, hvordan formørkelsen ville påvirke radiosignaler - primært, hvor langt de kunne rejse gennem atmosfæren, før de gik ud. De forudsagde, at formørkelsen ville udvide rækkevidden af ​​radiosignaler på grund af et fald i antallet af strømførende partikler i ionosfæren, svarende til hvad der sker om natten. Og de havde ret.

"Dataene var en bekræftelse af, at vores modellering var på rette vej, sagde Earle. Under formørkelsen, radiosignaler forplantede sig meget, meget længere, end de gør på en normal dag."

Earle og hans team brugte en litani af radiosendere og -modtagere til at teste rækkevidden af ​​radiosignaler under formørkelsen:To allerede eksisterende radarstationer, fire specialbyggede antennesteder, og rapporter fra tusindvis af skinkeradiooperatører fra hele Nordamerika, der meldte sig frivilligt til deres observationer som en del af en konkurrence arrangeret i forbindelse med American Radio Relay League.

Validering af denne model af ionosfæren er et skridt i retning af at forstå mindre forudsigelige ændringer i ionosfæren, som kan påvirke pålideligheden af ​​vores kommunikations- og navigationssignaler.

Angela Des Jardins fra Montana State University talte ved briefingen om Eclipse Ballooning Project, som fløj balloner gennem Jordens lavere atmosfære under formørkelsen. Hvis du så formørkelsen online den 21. august, nogle af de levende optagelser, du så, er muligvis kommet fra disse balloner. Ballonerne - fløjet til mere end 100, 000 fod af 55 hold af universitets- og gymnasieelever – leverede de første live-optagelser nogensinde af en formørkelse fra denne region af atmosfæren. Udover at give en fantastisk udsigt, de muliggjorde også enestående videnskab.

Projektet inkorporerede vejrballonflyvninger fra et dusin steder for at danne et billede af, hvordan Jordens lavere atmosfære - den del vi interagerer med, og som direkte påvirker vores vejr - reagerede på formørkelsen. Disse data afslørede, at det planetariske grænselag, den laveste del af jordens atmosfære, faldt ned næsten til sin nattehøjde under formørkelsen.

Flere dusin af formørkelsesballonerne fløj også kort indeholdende harmløse bakterier for at hjælpe os med at forstå potentielle planetariske kontaminationsproblemer.

"Vi ønsker ikke at forurene andre planeter, når vi sender robotter - eller endda mennesker - så vi er nødt til at forstå, om mikroskopisk liv, som bakterier, kunne overleve på Mars, sagde Des Jardins.

På mange måder, Jordens stratosfære ligner miljøet på overfladen af ​​Mars, med en primær undtagelse:mængden af ​​sollys. Men under formørkelsen, niveauet af sollys faldt til noget tættere på det, du kunne forvente at se på Mars, giver det perfekte miljø til at teste hårdførheden af ​​disse potentielle Mars-angribere. Forskere ser på data fra dette eksperiment, og håber at have resultater at offentliggøre inden for de næste par måneder.

Jay Herman, EPIC ledende videnskabsmand ved NASA Goddard, præsenteret om, hvordan begivenheden den 21. august gav videnskabsmænd mulighed for at studere virkningerne af formørkelsen, der blokerede noget af sollyset, der nåede Jorden. Dette er et skridt til mere præcist at måle skyernes rolle i at regulere, hvor meget solenergi når Jordens overflade, og hvor meget der reflekteres tilbage i rummet. Computerprogrammer kan estimere virkningen af ​​forskellige typer skyer på Jordens energibudget, og en begivenhed som formørkelsen - hvor månen fungerer som en kæmpe, uigennemtrængelig sky – kan forbedre disse programmer.

Deep Space Climate Observatory - et rumfartøj fra National Oceanic and Atmospheric Administration, der kredser 1 million miles fra Jorden og altid er placeret mellem Jorden og Solen - gav en unik platform til at se formørkelsen og dens indvirkning. Den bærer et NASA-instrument kaldet Earth Polychromatic Imaging Camera, eller EPIC, som måler forskellige bølgelængder af lys reflekteret fra Jorden.

Da Herman og hans kolleger målte, hvor meget lys der blev reflekteret under formørkelsen, de fandt ud af, at det var reduceret med 10 procent over hele kloden. Fast, ikke-formørkelsesdage varierer typisk med mindre end 1 procent, sammenlignet med.

Og mere...

Mange andre videnskabsmænd – med støtte fra NASA – benyttede sig af formørkelsen til at udføre nye undersøgelser af Solen og Jorden den 21. august.

Solforskning

En NASA-finansieret gruppe ledet af Shadia Habbal ved University of Hawaii fandt atypisk køligt materiale i corona over et område, hvor en koronal masseudstødning lige var brudt ud på overfladen, før formørkelsen. Denne opdagelse hjælper videnskabsmænd med at forstå fysikken i dynamiske plasmaer i koronaen.

I Madras, Oregon, et hold af NASA-forskere ledet af Nat Gopalswamy fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, pegede på en ny, specialiseret polarisationskamera ved coronaen, tager 50 billeder ved fire forskellige bølgelængder på lidt over to minutter. Billederne fangede data om temperatur og hastighed af solmateriale i koronaen.

Typiske koronagrafer bruger et polarisatorfilter i en mekanisme, der drejer gennem tre vinkler, den ene efter den anden, for hvert bølgelængdefilter. Det nye kamera er designet til at eliminere denne tidskrævende proces, ved at inkorporere tusindvis af bittesmå polarisationsfiltre til at læse lys polariseret i forskellige retninger samtidigt.

Holdets resultater var i overensstemmelse med tidligere formørkelser observeret af de ældre, klumpere polariseringskameraer - med succes demonstreret, at instrumentet kan bruges til at opnå nøjagtige målinger uden et polarisationshjul. Med yderligere test og udvikling, gruppens kamera vil med tiden modnes til et instrument, der er bestemt til rumflyvning.

Paul Bryans, en videnskabsmand ved UCAR, ledet et andet NASA-finansieret projekt for at studere Solen under Augusts formørkelse. De var i stand til at fange et spektrum af Solens korona ved bølgelængder, der strækker sig fra omkring 1 til 5 mikron, meget længere bølgelængder end dem, der udgør de lystyper, vores øjne kan se. Dette spektrum er en måling, der ikke ofte foretages, og Bryans og hans team håber på, at det vil afsløre interessante træk om Solens atmosfære.

Bryans' team fokuserede også på at tage billeder af kromosfæren - den del af Solens atmosfære under koronaen - lige før og efter totaliteten, når den ville være synlig ud over Månens kant uden at blive overvældet af Solens lyse ansigt.

"En af de interessante ting, vi har gjort indtil videre, er at sammenligne resultater med nogle andre formørkelseseksperimenter, " sagde Bryans. Især ved at sammenligne deres data med dem, der blev indsamlet ved et eksperiment fra National Science Foundation i luften, de kan udpege, hvilke dele af solspektret, der er lovende for fremtidige jordbaserede undersøgelser. "En af de ting, vi skal vide, er præcis, hvilke bølgelængder luften absorberer - hvis Jordens atmosfære absorberer det lys, du leder efter, der er ingen mening. "

Philip dommer, også fra High Altitude Observatory, førte et hold i tæt samspil med Bryans' for at studere Solens korona og kromosfære med spektrografer - instrumenter, der kategoriserer lys efter dets komponentbølgelængder - for at se fingeraftryk efterladt af Solens magnetfelt. Dette kromosfæriske flashspektrum, optaget med hidtil uset tidsopløsning, sætter holdet i stand til at studere kromosfæren som funktion af højden på skalaer ned til blot et par kilometer. Analyse af disse data er i gang.

Dommer koordinerede også med Smithsonians luftbårne infrarøde spektrometer-eksperiment. Foreløbige resultater fra dette projekt viser to hidtil usete emissionslinjer fra coronaen. Disse data blev også kryds-kalibreret med jordbaserede koronagrafer, der bruges dagligt uden for formørkelsen og giver forskerne en klar forståelse af forholdet mellem coronaens emission og det lys, Jordens atmosfære absorberer.

Arbejder sammen med Citizen CATE-projektet på to teleskopsteder, Padma Yanamandra-Fisher og hendes team brugte augustformørkelsen til at måle polariseret lys fra den indre solkorona, som kun kan observeres fra jorden under en total solformørkelse. At studere Solens indre korona i polariseret lys hjælper videnskabsmænd med at spore signaturerne af solaktivitet, der kan hjælpe med at forklare koronaens ekstraordinært høje temperaturer.

Indledende analyse viser, at polariseringen var størst langs Solens ækvator, viser, hvor der var mere frie elektroner, samt andre funktioner i coronaen. De fandt også, at en struktur af udstødt materiale - en fremtrædende plads - var meget svagt polariseret.

Yanamandra-Fishers team vil også kombinere deres data med data fra Citizen CATE for at hjælpe med at belyse den korte periodevariation i solcoronaen, som forekommer i tidsrummet på blot et par timer.

"Datasættet, vi har erhvervet fra et af vores to steder, er et af de bedste datasæt for synlig polarisering af den indre korona, der er tilgængelig lige nu, fordi vi havde et uberørt observationssted i Tetonia, Idaho, og et godt eksempel på professionelt og amatørobservatørsamarbejde, " sagde Yanamandra-Fisher.

Ionosfærisk forskning

Mens skyggen bevægede sig hen over landet, afskære ionosfærens sædvanlige kilde til ioniserende stråling, et hold ledet af Phil Erickson fra Massachusetts Institute of Technologys Haystack Observatory observerede cirkulære buebølger - forstyrrelser i regionens elektrontæthed, opkaldt efter deres lighed med bølgerne en båd laver, når den sejler gennem vandet. Disse bølger satte fart langs helhedens vej med 300 miles i sekundet. Rejsende ionosfæriske forstyrrelser er nogle gange ansvarlige for rumvejrmønstre i den øvre atmosfære, og er ofte forbundet med atmosfæriske tyngdekraftsbølger.

"Vores ionosfæriske målinger under formørkelsen i august 2017 gik ekstremt godt. Den højeffekts ionosfæriske radar ved Millstone Hill i det østlige Massachusetts fungerede perfekt i fem dage omkring formørkelsen, måling af ionosfærisk tæthed, temperatur, og hastighed over hovedet og også i forskellige retninger på østkysten, sagde Erickson. vores GPS-baserede software til totalt elektronindhold producerede kort med bred dækning af ionosfærisk respons over hele det nordamerikanske kontinent. Begge disse datasæt har mange fascinerende funktioner, nogle af dem var uventede."

Bob Marshall og hans team, fra University of Colorado Boulder, sonderede reaktionen fra ionosfærens D-region på formørkelsen med meget lav frekvens, eller VLF, radiosignaler. Dette er den laveste og mindst tætte del af ionosfæren - og på grund af det, den mindst forståede.

Dataindsamlingen gik godt, Marshall sagde, og gruppen fik alle de data, de håbede på. Holdet indsamlede VLF-sendersignaler, der rejste på tværs af helhedens vej i Boulder; Bear Lake, Utah; og Elginfield, Ontario, Canada. Alle observationer viste klare signaturer af formørkelsen, samt et uventet soludbrud.

"Vi fortsætter med at sætte modelsimuleringerne sammen for at validere disse VLF-observationer af formørkelsen, " sagde Marshall. "Modellen er ret involveret og kompleks, men vi gør store fremskridt."