Aurora-mysterier låst op med NASAs THEMIS-mission

En speciel type nordlys, draperet øst-vest over nattehimlen som en glødende perlehalskæde, hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå videnskaben om nordlys og deres kraftfulde drivere ude i rummet. Kendt som nordlysperler, disse lys vises ofte lige før store nordlysskærme, som er forårsaget af elektriske storme i rummet kaldet understorme. Tidligere, videnskabsmænd var ikke sikre på, om nordlysperler på en eller anden måde er forbundet med andre nordlysskærme som et fænomen i rummet, der går forud for substorme, eller hvis de er forårsaget af forstyrrelser tættere på Jordens atmosfære.

Men kraftfulde nye computermodeller kombineret med observationer fra NASA's Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms-THEMIS-mission har givet det første stærke bevis på de begivenheder i rummet, der fører til fremkomsten af ​​disse perler, og demonstrerede den vigtige rolle, de spiller i vores nærrumsmiljø.

"Nu ved vi med sikkerhed, at dannelsen af ​​disse perler er en del af en proces, der går forud for udløsningen af ​​en understorm i rummet, " sagde Vassilis Angelopoulos, hovedefterforsker af THEMIS ved University of California, Los Angeles. "Dette er en vigtig ny brik i puslespillet."

Ved at give et bredere billede, end det kan ses med de tre THEMIS-rumfartøjer eller jordobservationer alene, de nye modeller har vist, at nordlysperler er forårsaget af turbulens i plasmaet - en fjerde tilstand af stof, består af gasformige og stærkt ledende ladede partikler - der omgiver Jorden. Resultaterne, for nylig offentliggjort i tidsskrifterne Geofysiske forskningsbreve og Journal of Geophysical Research:Space Physics , vil i sidste ende hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå hele spektret af hvirvlende strukturer, der ses i nordlyset.

"THEMIS observationer har nu afsløret turbulenser i rummet, der forårsager strømme, der ses lyser himlen op som af enkelte perler i den glødende nordlyshalskæde, " sagde Evgeny Panov, hovedforfatter på et af de nye artikler og THEMIS-forsker ved det østrigske videnskabsakademis rumforskningsinstitut. "Disse turbulenser i rummet er oprindeligt forårsaget af lettere og mere adrætte elektroner, bevæger sig med vægten af ​​partikler 2000 gange tungere, og som teoretisk set kan udvikle sig til fuldskala nordlys understorme."

Mysterier om dannelsen af ​​ørelysperler

Auroras skabes, når ladede partikler fra Solen fanges i Jordens magnetiske miljø - magnetosfæren - og ledes ind i Jordens øvre atmosfære, hvor kollisioner forårsager brint, ilt, og nitrogenatomer og molekyler til at gløde. Ved at modellere det nære Jord-miljø på skalaer fra 10 til 1,2 millioner miles, THEMIS-forskerne var i stand til at vise detaljerne om, hvordan nordlysperler dannes.

Mens strømmende skyer af plasma bøvset af Solen passerer Jorden, deres interaktion med Jordens magnetfelt skaber flydende bobler af plasma bag Jorden. Som en lavalampe, ubalancer i opdriften mellem boblerne og tungere plasma i magnetosfæren skaber fingre af plasma 2, 500 miles brede, der strækker sig ned mod Jorden. Signaturer af disse fingre skaber den distinkte perleformede struktur i nordlyset.

"Der har været en erkendelse af, at alt sammenfattet, disse relativt små forbigående begivenheder, der sker omkring magnetosfæren, er på en eller anden måde vigtige, sagde David Sibeck, THEMIS-projektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi er først for nylig nået til det punkt, hvor computerkraft er god nok til at fange den grundlæggende fysik i disse systemer."

Nu hvor videnskabsmænd forstår, at nordlysperlerne går forud for substorme, de vil finde ud af hvordan hvorfor og hvornår perlerne kan udløse fuldblæst substorm. I hvert fald i teorien, fingrene kan sammenfiltre magnetfeltlinjer og forårsage en eksplosiv hændelse kendt som magnetisk genforbindelse, som er velkendt for at skabe fuldskala understorme og nordlys, der fylder nattehimlen.

Nye modeller åbner nye døre

Siden lanceringen i 2007, THEMIS har foretaget detaljerede målinger, mens den passerer gennem magnetosfæren for at forstå årsagerne til de understorme, der fører til nordlys. I sin primære mission, THEMIS var i stand til at vise, at magnetisk genforbindelse er en primær drivkraft for substorme. De nye resultater fremhæver vigtigheden af ​​strukturer og fænomener i mindre skalaer - de hundreder og tusinder af miles på tværs sammenlignet med dem, der spænder over millioner af miles.

"For at forstå disse funktioner i nordlyset, du virkelig har brug for at løse både globale og mindre, lokale skalaer. Det er derfor, det var så udfordrende indtil nu, " sagde Slava Merkin, medforfatter på et af de nye artikler og videnskabsmand ved NASA's Center for Geospace Storms med hovedkvarter på Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland. "Det kræver meget sofistikerede algoritmer og meget store supercomputere."

De nye computersimuleringer matcher næsten perfekt THEMIS og jordobservationer. Efter den første succes med de nye computermodeller, THEMIS-forskere er ivrige efter at anvende dem på andre uforklarlige nordlysfænomener. Især ved at forklare småskala strukturer, computermodeller er essentielle, da de kan hjælpe med at fortolke, hvad der sker mellem de rum, hvor de tre THEMIS-rumfartøjer passerer.

"Der er masser af meget dynamisk, meget små strukturer, som folk ser i nordlyset, som er svære at forbinde til det større billede i rummet, da de sker meget hurtigt og i meget små skalaer, " sagde Kareem Sorathia, hovedforfatter på en af ​​de nye artikler og videnskabsmand ved NASA's Center for Geospace Storms med hovedkvarter på Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. "Nu hvor vi kan bruge globale modeller til at karakterisere og undersøge dem, det åbner en masse nye døre."