GULDs fugleøjne afslører dynamik i Jordens grænseflade til rummet

Ny forskning ved hjælp af data fra NASA's Global-scale Observations of the Limb and Disk, eller GULD, mission, har afsløret uventet adfærd i skårene af ladede partikler, der binder Jordens ækvator – muligvis lavet af GOLDs langsigtede globale syn, den første af sin slags til denne type måling.

GULD er i geostationær kredsløb, hvilket betyder, at den kredser om Jorden i samme tempo som planeten drejer og "svæver" over det samme sted over hovedet. Dette gør det muligt for GOLD at se det samme område for ændringer over tid på tværs af længde- og breddegrad, noget, som de fleste satellitter, der studerer den øvre atmosfære, ikke kan.

"Da GOLD er på en geostationær satellit, vi kan fange 2D tidsudvikling af denne dynamik, " sagde Dr. Xuguang Cai, en forsker ved High Altitude Observatory i Boulder, Colorado, og hovedforfatter på et nyt forskningspapir.

GOLD fokuserer på dele af Jordens øvre atmosfære, der strækker sig fra omkring 50 til 400 miles i højden, herunder et neutralt lag kaldet termosfæren og de elektrisk ladede partikler, der udgør ionosfæren. I modsætning til de neutrale partikler i det meste af Jordens atmosfære, ionosfærens ladede partikler reagerer på de elektriske og magnetiske felter, der trænger gennem atmosfæren og det nære Jord-rum. Men fordi de ladede og neutrale partikler er blandet sammen, noget, der påvirker en befolkning, kan også påvirke den anden.

Det betyder, at ionosfæren og den øvre atmosfære er formet af et væld af komplekse faktorer, inklusive rumvejrforhold - såsom geomagnetiske storme, drevet af Solen - og terrestrisk vejr. Disse regioner fungerer også som en motorvej for mange af vores kommunikations- og navigationssignaler. Ændringer i ionosfærens tæthed og sammensætning kan forvirre de signaler, der passerer igennem, som radio og GPS.

Fra sit udsigtspunkt på en kommerciel kommunikationssatellit i geostationær kredsløb, GOLD foretager halvkugle-dækkende observationer af ionosfæren omkring hvert 30. minut. Dette hidtil usete fugleperspektiv giver forskerne ny indsigt i, hvordan denne region ændrer sig.

Mystisk bevægelse

Et af nattens ionosfærens mest karakteristiske træk er tvillingebånd af tæt ladede partikler på hver side af Jordens magnetiske ækvator. Disse bånd - kaldet den ækvatoriale ioniseringsanomali, eller EIA - kan ændre sig i størrelse, form, og intensitet, afhængig af forholdene i ionosfæren.

Båndene kan også flytte position. Indtil nu, forskere har stolet på data fanget af satellitter, der passerer gennem regionen, gennemsnit af målinger over måneder for at se, hvordan båndene kan ændre sig på lang sigt. Men kortsigtede ændringer var sværere at spore.

før GULD, videnskabsmænd havde mistanke om, at alle hurtige ændringer, der sker i båndene, ville være symmetriske. Hvis det nordlige bånd bevæger sig nordpå, det sydlige bånd laver en spejlbevægelse sydpå. En nat i november 2018, selvom, GULD så noget, der udfordrede denne idé:det sydlige bånd af partikler drev sydpå, mens det nordlige bånd forblev stabilt - alt sammen på mindre end to timer.

Det er ikke første gang, videnskabsmænd har set båndene bevæge sig sådan her, men denne kortere begivenhed - kun omkring to timer, sammenlignet med en mere typisk seks til otte timer set tidligere - blev set for første gang, og kunne kun være observeret af GULD. Observationerne er skitseret i et papir offentliggjort den 29. december, 2020, i Journal of Geophysical Research:Space Physics .

Den symmetriske drift af disse bånd er forårsaget af stigende luft, der trækker ladede partikler med sig. Når natten falder på og temperaturerne køler, varmere lommer af luft bølger opad. De ladede partikler, der bæres i disse varmere luftlommer, er bundet af magnetiske feltlinjer, og for de lommer nær Jordens magnetiske ækvator betyder formen af ​​Jordens magnetfelt, at opadgående bevægelse også skubber de ladede partikler vandret. Dette skaber den symmetriske nord- og sydgående drift af de to ladede partikelbånd.

Den nøjagtige årsag til den asymmetriske drift observeret af GOLD er stadig et mysterium - selvom Cai formoder, at svaret ligger i en kombination af de mange faktorer, der former elektronernes bevægelse i ionosfæren:igangværende kemiske reaktioner, elektriske felter, og høje vinde blæser gennem regionen.

Selvom det er overraskende, disse resultater kan hjælpe forskere med at kigge bag ionosfærens gardin og bedre forstå, hvad der driver dens ændringer. Fordi det er umuligt at observere enhver proces med en satellit- eller jordbaseret sensor, forskere er stærkt afhængige af computermodeller for at studere ionosfæren, meget ligesom modeller, der hjælper meteorologer med at forudsige vejret på jorden. For at skabe disse simuleringer, videnskabsmænd koder i, hvad de formoder er den underliggende fysik på arbejde, og sammenligner modellens forudsigelse med observerede data.

før GULD, videnskabsmænd fik disse data fra lejlighedsvise forbipasserende satellitter og begrænsede jordbaserede observationer. Nu, GULD giver forskerne et fugleperspektiv.