Borgerforskere opdager en ny form for nordlys

I samarbejde med rumforskere, Finske amatørfotografer har opdaget en ny nordlysform. Kaldet "klitter" af hobbyfolket, fænomenet menes at være forårsaget af bølger af iltatomer, der gløder på grund af en strøm af partikler frigivet fra Solen.

I den nyligt offentliggjorte undersøgelse, klitternes oprindelse blev sporet til en bølgeleder dannet inden for mesosfæren og dens grænse, mesopausen. Undersøgelsen hævder også, at denne nye nordlysform giver forskere en ny måde at undersøge forholdene i den øvre atmosfære på.

Undersøgelsen blev offentliggjort i det første nummer af tidsskriftet med høj effekt AGU rykker frem .

Et ukendt fingeraftryk vises på himlen

Minna Palmroth, Professor i Computational Space Physics ved Helsinki Universitet, leder en forskergruppe, der udvikler verdens mest nøjagtige simulering af det nære Jord-rum og rumvejr, der forårsager nordlysemissioner.

Solen frigiver en konstant strøm af ladede partikler, kendt som solvinden. At nå jordens ioniserede øvre atmosfære, ionosfæren, de skaber nordlys-emissioner af spændende atmosfæriske oxygen- og nitrogenatomer. Excitationstilstanden frigives som nordlys.

I slutningen af ​​2018, Palmroth udgav en bog med titlen "Revontulibongarin opas" ("En vejledning til aurora borealis observere"). Bogen er født ud af Palmroths samarbejde med nordlysentusiaster og de svar, hun gav på spørgsmål om fænomenets fysik i hobbyfolkets Facebook-gruppe.

Tusindvis af storslåede fotografier af nordlyset taget af hobbyfolk blev undersøgt og kategoriseret til bogen. Hver nordlysform er som et fingeraftryk, kun typisk for et bestemt fænomen i nordlyszonen. Under klassificeringen, hobbyister påpegede, at en vis nordlysform ikke passede ind i nogen af ​​de allerede eksisterende kategorier. Palmroth tilsidesatte disse usædvanlige former til senere overvejelse.

Ved et næsten utroligt tilfælde, få dage efter bogen udkom, hobbyfolkene så denne usædvanlige form igen og informerede straks Palmroth. Formen fremstod som et grønt farvet og jævnt bølgemønster, der lignede et stribet slør af skyer eller klitter på en sandstrand.

"Et af de mest mindeværdige øjeblikke i vores forskningssamarbejde var, da fænomenet dukkede op på det specifikke tidspunkt, og vi var i stand til at undersøge det i realtid, " siger nordlys- og astronomihobbyist Matti Helin.

Bølger nyligt afsløret af nordlys

Undersøgelser af fænomenet blev iværksat, med hobbyobservationer og videnskabelige metoder, der går sammen for at forklare bølgerne.

"Det var som at lægge et puslespil sammen eller udføre detektivarbejde, " siger Helin. "Hver dag fandt vi nye billeder og kom med nye ideer. Til sidst, vi kom til bunden af ​​det..."

Fænomenet blev fotograferet på samme tid i både Laitila og Ruovesi, det sydvestlige Finland, med de samme detaljer observeret i nordlyset på begge billeder. Maxime Grandin, en postdoktor i Palmroths team, identificerede stjerner bag emissionen og bestemte stjernernes azimut og højde ved hjælp af astronomisoftwareprogrammet Stellarium. Dette gjorde det muligt at bruge stjernerne som referencepunkter ved beregning af nordlysfænomenets højde og udstrækning.

Grandin fandt ud af, at nordlysets klitter forekommer i en relativt lav højde på 100 kilometer, i de øvre dele af mesosfæren. Bølgelængden af ​​bølgefeltet blev målt til 45 kilometer.

I alt syv lignende hændelser - hvor et kamera havde optaget det samme jævne bølgemønster - blev yderligere identificeret fra "Taivaanvahti" ("Sky Watch")-tjenesten, der vedligeholdes af den finske amatørastronomforening, Ursa.

Uudforsket region

Den del af nordlyszonen, hvor Jordens elektrisk-neutrale atmosfære møder kanten af ​​rummet, er et ekstremt udfordrende miljø for satellitter og andre rumbårne instrumenter. Palmroth siger, at det er derfor, det er et af de mindst undersøgte steder på vores planet.

"På grund af vanskelighederne med at måle de atmosfæriske fænomener, der forekommer mellem 80 og 120 kilometer i højden, vi kalder sommetider dette område 'ufornemheden, '" hun siger.

Klittene blev observeret præcist i den særlige region af nordlyszonen. Det observerede fænomen guidede forskerne mod en mellemvej mellem atmosfærisk forskning og rumforskning, da rumfysikkens sædvanlige metodik ikke kunne forklare det alene.

"Forskellene i lysstyrke inden for klitbølgerne kan skyldes enten bølger i de udfældende partikler, der kommer fra rummet, eller i de underliggende atmosfæriske oxygenatomer, " siger Palmroth. "Vi endte med at foreslå, at klitterne er et resultat af øget oxygenatomtæthed."

Næste, holdet skulle bestemme, hvordan variationen i iltatomernes tæthed forårsaget af tyngdekraftsbølger i atmosfæren resulterer i et så jævnt og udbredt bølgefelt. Normalt i studiehøjden er der mange forskellige slags tyngdekraftsbølger, der bevæger sig i forskellige retninger ved forskellige bølgelængder, hvorfor de ikke så let danner de jævne bølgefelter, som klitterne udviser.

Nordlyset oplyser en tidevandsboring

Undersøgelsen tyder på, at det pågældende fænomen er en mesosfærisk boring, et sjældent og lidet undersøgt fænomen, der finder sted i mesosfæren. Tidevandsboringsfænomenet er en bølge, der er fælles for mange floder, hvor tidevandet rejser op ad flodkanalen.

Forskellige typer tyngdekraftsbølger fødes i atmosfæren og stiger derefter. I meget sjældne tilfælde, tyngdekraftsbølger kan blive filtreret, når de stiger mellem mesopausen og et inversionslag, der intermitterende dannes under mesopausen. Inversionslaget får de filtrerede bølger til at bøje og sætter dem i stand til at rejse lange afstande gennem kanalen uden dæmpning.

Når iltatomerne i boringen kolliderer med elektronerne, der udfælder ned på atmosfæren, de bliver begejstrede. Når du slipper denne excitation, de skaber nordlyset. Dette er grunden til, at mesosfæriske boringer - et fænomen, der hidtil er blevet betragtet som et meget udfordrende forskningsemne - lejlighedsvis kan ses med det blotte øje.

Rumforskere fokuserer på atmosfæren

Forud for denne opdagelse, mesosfæriske boringer blev ikke observeret i nordlyszonen, de er heller ikke blevet undersøgt via nordlysemissioner.

"Nordlyszonen som helhed er sædvanligvis diskonteret i undersøgelser fokuseret på boringen, da nordlys emissioner forringer den teknik, der bruges til at identificere mesosfæriske boringer, siger Palmroth.

Traditionelt, forskere med speciale i atmosfæren og rummet har stort set undersøgt deres interesseemner adskilt fra hinanden. Dette skyldes, at der kun er en håndfuld kendte mekanismer for interaktion mellem ionosfæren, der bader i de udfældende elektroner, og den neutrale atmosfære.

Ved hjælp af måleapparater, der betjenes af det finske meteorologiske institut, klitterne fandtes at forekomme samtidigt og i samme region, hvor den elektromagnetiske energi, der stammer fra rummet, overføres til ignorosfæren.

"Dette kan betyde, at den energi, der overføres fra rummet til ionosfæren, kan være forbundet med skabelsen af ​​inversionslaget i mesosfæren, " siger Palmroth. "Med hensyn til fysik, dette ville være en forbløffende opdagelse, da det ville repræsentere en ny og tidligere uobserveret mekanisme for interaktion mellem ionosfæren og atmosfæren."