Wetenschappers van NASA en drie universiteiten hebben nieuwe ontdekkingen gepresenteerd over de manier waarop warmte en energie bewegen en zich manifesteren in de ionosfeer, een gebied in de atmosfeer van de aarde dat reageert op veranderingen vanuit zowel de ruimte boven als de aarde beneden.

Ver boven het aardoppervlak, in de ijle bovenste atmosfeer, is een zee van deeltjes die door de harde ultraviolette straling van de zon in positieve en negatieve ionen zijn gesplitst. De ionosfeer genoemd, dit is de interface van de aarde naar de ruimte, het gebied waar de neutrale atmosfeer van de aarde en het aardse weer plaatsmaken voor de ruimteomgeving die het grootste deel van de rest van het universum domineert - een omgeving met geladen deeltjes en een complex systeem van elektrische en magnetische velden. De ionosfeer wordt gevormd door golven uit de atmosfeer beneden en reageert op unieke wijze op de veranderende omstandigheden in de ruimte. het overbrengen van dergelijk ruimteweer in waarneembaar, Aarde-effectieve fenomenen - het creëren van de aurora, communicatiesignalen verstoren, en soms satellietproblemen veroorzaken.

Veel van deze effecten worden niet goed begrepen, het verlaten van de ionosfeer, voor het grootste gedeelte, een mysterieus gebied. Wetenschappers van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington, gelijkstroom, de Universiteit van Colorado Boulder, en de Universiteit van Californië, Berkeley, presenteerde nieuwe resultaten over de ionosfeer tijdens de herfstbijeenkomst van de American Geophysical Union op 14 december, 2016, in San Francisco.

Een onderzoeker legde uit hoe de interactie tussen de ionosfeer en een andere laag in de atmosfeer, de thermosfeer, tegengaan van verwarming in de thermosfeer - verwarming die leidt tot uitzetting van de bovenste atmosfeer, wat voortijdig orbitaal verval kan veroorzaken. Een andere onderzoeker beschreef hoe energie buiten de ionosfeer zich ophoopt totdat het ontlaadt - niet zoals bliksem - en biedt een verklaring voor hoe energie van ruimteweer overgaat in de ionosfeer. Een derde wetenschapper besprak twee aanstaande NASA-missies die belangrijke observaties van deze regio zullen opleveren, helpt ons beter te begrijpen hoe de ionosfeer reageert op zowel ruimteweer als op aards weer.

Veranderingen in de ionosfeer worden voornamelijk veroorzaakt door de activiteit van de zon. Hoewel het voor ons op de grond onveranderlijk lijkt, onze zon is, in feite, een zeer dynamische, actieve ster. Kijken naar de zon in ultraviolette golflengten van licht vanuit de ruimte - boven onze UV-lichtblokkerende atmosfeer - onthult constante activiteit, inclusief uitbarstingen van licht, deeltjes, en magnetische velden.

Zo nu en dan, de zon laat enorme wolken van deeltjes en magnetische velden los die met meer dan een miljoen mijl per uur uit de zon exploderen. Dit worden coronale massa-ejecties genoemd, of CME's. Wanneer een CME de aarde bereikt, de ingebedde magnetische velden kunnen interageren met het natuurlijke magnetische veld van de aarde - de magnetosfeer genoemd - die het soms comprimeert of zelfs delen ervan opnieuw uitlijnt.

Het is deze herschikking die energie overbrengt naar het atmosferische systeem van de aarde, door een kettingreactie van verschuivende elektrische en magnetische velden op gang te brengen die de deeltjes die al in de buurt van de aarde zijn vastgehouden, in alle richtingen kunnen doen flitsen. Deze deeltjes kunnen dan een van de meest herkenbare en ontzagwekkende ruimteweergebeurtenissen creëren - de aurora, ook wel bekend als het noorderlicht.

Maar de overdracht van energie naar de atmosfeer is niet altijd zo onschuldig. Het kan ook de bovenste atmosfeer verwarmen - waar lage-aardsatellieten in een baan rond de aarde draaien - waardoor het uitzet als een heteluchtballon.

"Deze zwelling betekent dat er meer spullen op grotere hoogten zijn dan we anders zouden verwachten, " zei Delores Knipp, een ruimtewetenschapper aan de Universiteit van Colorado Boulder. "Dat extra spul kan satellieten aanslepen, hun banen verstoren en ze moeilijker te volgen maken."

Dit fenomeen wordt satellietweerstand genoemd. Nieuw onderzoek toont aan dat dit begrip van de reactie van de bovenste atmosfeer op zonnestormen - en de resulterende satellietweerstand - niet altijd klopt.

"Ons basisbegrip was dat geomagnetische stormen energie in het systeem van de aarde brengen, wat leidt tot zwelling van de thermosfeer, die satellieten naar lagere banen kan trekken, " zei Knip, hoofdonderzoeker van deze nieuwe resultaten. "Maar dat is niet altijd het geval."

Soms, de energie van zonnestormen kan een chemische reactie veroorzaken die een verbinding produceert die stikstofmonoxide wordt genoemd in de bovenste atmosfeer. Stikstofmonoxide werkt als koelmiddel op zeer grote hoogten, bevordering van energieverlies naar de ruimte, dus een aanzienlijke toename van deze verbinding kan een fenomeen veroorzaken dat overkoeling wordt genoemd.

"Overkoeling zorgt ervoor dat de atmosfeer veel sneller energie van de geomagnetische storm afstoot dan verwacht, "zei Knipp. "Het is alsof de thermostaat voor de bovenste atmosfeer op de 'koele' stand is blijven steken."

Dat snelle energieverlies gaat de vorige expansie tegen, waardoor de bovenste atmosfeer weer instortte - soms tot een nog kleinere staat dan waarin het begon, satellieten achterlatend die door gebieden met een lagere dichtheid reizen dan verwacht.

Een nieuwe analyse door Knipp en haar team classificeert de soorten stormen die waarschijnlijk zullen leiden tot deze overkoeling en snelle ineenstorting van de bovenste atmosfeer. Door meer dan een decennium aan metingen van satellieten van het Ministerie van Defensie en NASA's Thermosphere te vergelijken, ionosfeer, Mesosfeer Energetica en Dynamica, of GETIMED, missie, de onderzoekers waren in staat om patronen in energie te herkennen die door de bovenste atmosfeer bewegen.

"Overkoeling is het meest waarschijnlijk wanneer zeer snelle en magnetisch georganiseerde ejecta van de zon het magnetische veld van de aarde doen rammelen, "zei Knipp. "Langzame wolken of slecht georganiseerde wolken hebben gewoon niet hetzelfde effect."

Dit betekent dat, niet intuïtief, de meest energetische zonnestormen zullen waarschijnlijk een netto afkoelend en krimpend effect hebben op de bovenste atmosfeer, in plaats van het te verwarmen en uit te breiden zoals eerder werd begrepen.

Concurreren met dit afkoelingsproces is de verwarming die wordt veroorzaakt door zonnestormenergie die zijn weg vindt naar de atmosfeer van de aarde. Hoewel wetenschappers weten dat zonnewindenergie uiteindelijk de ionosfeer bereikt, ze hebben weinig begrepen van waar, wanneer en hoe deze overdracht plaatsvindt. Nieuwe waarnemingen tonen aan dat het proces gelokaliseerd en impulsief is, en gedeeltelijk afhankelijk van de toestand van de ionosfeer zelf.

traditioneel, wetenschappers hebben gedacht dat de manier waarop energie door de magnetosfeer en atmosfeer van de aarde beweegt, wordt bepaald door de kenmerken van de binnenkomende deeltjes en magnetische velden van de zonnewind - bijvoorbeeld, langs, gestage stroom zonnedeeltjes zou andere effecten hebben dan een snellere, minder consistente stroom. Echter, nieuwe gegevens laten zien dat de manier waarop energie beweegt veel nauwer verbonden is met de mechanismen waarmee de magnetosfeer en de ionosfeer met elkaar verbonden zijn.

"Het proces van energieoverdracht blijkt erg te lijken op de manier waarop bliksem ontstaat tijdens een onweersbui, " zei Bob Robinson, een ruimtewetenschapper bij NASA Goddard en de Katholieke Universiteit van Amerika.

Tijdens een onweersbui, een opeenhoping van elektrisch potentiaalverschil - spanning genoemd - tussen een wolk en de grond leidt tot een plotselinge, gewelddadige ontlading van die elektrische energie in de vorm van bliksem. Deze ontlading kan alleen plaatsvinden als er een elektrisch geleidend pad is tussen de wolk en de grond. een leider genoemd.

evenzo, de zonnewind die de magnetosfeer raakt, kan een spanningsverschil opbouwen tussen verschillende delen van de ionosfeer en de magnetosfeer. Tussen deze gebieden kunnen elektrische stromen ontstaan, het creëren van het geleidende pad dat nodig is om die opgebouwde elektrische energie als een soort bliksem in de ionosfeer te laten ontladen.

"Terrestrische bliksem duurt enkele milliseconden, terwijl deze magnetosfeer-ionosfeer 'bliksem' enkele uren aanhoudt - en de hoeveelheid overgedragen energie honderden tot duizenden keren groter is, " zei Robinson, hoofdonderzoeker van deze nieuwe resultaten. Deze resultaten zijn gebaseerd op gegevens van de wereldwijde Iridium-satellietcommunicatieconstellatie.

Omdat zonnestormen de elektrische stromen versterken die deze magnetosfeer-ionosfeer-bliksem laten plaatsvinden, dit type energieoverdracht is veel waarschijnlijker wanneer het magnetische veld van de aarde wordt verdrongen door een zonnegebeurtenis.

De enorme energieoverdracht van deze magnetosfeer-ionosfeer-bliksem wordt geassocieerd met verwarming van de ionosfeer en de bovenste atmosfeer, evenals toegenomen aurora.

Ergens naar uitkijken

Hoewel wetenschappers vooruitgang boeken bij het begrijpen van de belangrijkste processen die veranderingen in de ionosfeer veroorzaken en, beurtelings, op aarde, er valt nog veel te begrijpen. in 2017, NASA lanceert twee missies om deze dynamische regio te onderzoeken:de Ionospheric Connection Explorer, of ICOON, en wereldwijde waarnemingen van de ledematen en schijf, of GOUD.

"De ionosfeer reageert niet alleen op de energietoevoer door zonnestormen, " zei Scott Engeland, een ruimtewetenschapper aan de Universiteit van Californië, Berkeley, die aan zowel de ICON- als de GOLD-missies werkt. "Terrestrisch weer, zoals orkanen en windpatronen, kan de atmosfeer en de ionosfeer vormen, veranderen hoe ze reageren op ruimteweer."

ICON zal tegelijkertijd de kenmerken meten van geladen deeltjes in de ionosfeer en neutrale deeltjes in de atmosfeer - inclusief die gevormd door het aardse weer - om te begrijpen hoe ze op elkaar inwerken. GOLD zal veel van dezelfde metingen uitvoeren, maar vanuit een geostationaire baan, die een globaal beeld geeft van hoe de ionosfeer verandert.

Zowel ICON als GOLD zullen profiteren van een fenomeen dat airglow wordt genoemd - het licht dat wordt uitgezonden door gas dat wordt geëxciteerd of geïoniseerd door zonnestraling - om de ionosfeer te bestuderen. Door het licht van airglow te meten, wetenschappers kunnen de veranderende samenstelling volgen, dichtheid, en zelfs temperatuur van deeltjes in de ionosfeer en neutrale atmosfeer.

ICON's positie 350 mijl boven de aarde stelt het in staat om de atmosfeer in profiel te bestuderen, geeft wetenschappers een ongekende kijk op de toestand van de ionosfeer op verschillende hoogten. In de tussentijd, GOUD's positie 22, 000 mijl boven de aarde zal het de kans geven om veranderingen in de ionosfeer te volgen terwijl ze over de wereld bewegen, vergelijkbaar met hoe een weersatelliet een storm volgt.

"We zullen deze twee missies samen gebruiken om te begrijpen hoe dynamische weersystemen worden weerspiegeld in de bovenste atmosfeer, en hoe deze veranderingen de ionosfeer beïnvloeden, " zei Engeland.