Op 21 augustus 2017, de maan zal voor de zon schuiven en voor een kort moment, dag zal smelten in een schemerige nacht. Verhuizen door het land, de schaduw van de maan zal het licht van de zon blokkeren, en als het weer het toelaat, degenen binnen het pad van de totaliteit zullen worden getrakteerd op een uitzicht op de buitenste atmosfeer van de zon, de corona genoemd.

Maar de totale zonsverduistering zal ook onmerkbare effecten hebben, zoals het plotselinge verlies van extreem ultraviolette straling van de zon, die de geïoniseerde laag van de atmosfeer van de aarde genereert, de ionosfeer genoemd. Deze steeds veranderende regio groeit en krimpt op basis van zonnecondities, en is de focus van verschillende door NASA gefinancierde wetenschappelijke teams die de zonsverduistering zullen gebruiken als een kant-en-klaar experiment, hoffelijkheid van de natuur.

NASA profiteert van de zonsverduistering van 21 augustus door 11 wetenschappelijke onderzoeken op de grond in de Verenigde Staten te financieren. Drie hiervan zullen naar de ionosfeer kijken om ons begrip van de relatie van de zon met deze regio te verbeteren, waar satellieten in een baan om de aarde draaien en radiosignalen worden teruggekaatst naar de aarde.

"De eclips schakelt de bron van hoogenergetische straling van de ionosfeer uit, " zei Bob Marshall, een ruimtewetenschapper aan de Universiteit van Colorado Boulder en hoofdonderzoeker voor een van de onderzoeken. "Zonder ioniserende straling, de ionosfeer zal ontspannen, gaan van dagcondities naar nachtcondities en dan weer terug na de zonsverduistering."

Zich uitstrekkend van ongeveer 50 tot 400 mijl boven het aardoppervlak, de ijle ionosfeer is een geëlektrificeerde laag van de atmosfeer die reageert op veranderingen van zowel de aarde beneden als de ruimte erboven. Dergelijke veranderingen in de lagere atmosfeer of het ruimteweer kunnen zich manifesteren als verstoringen in de ionosfeer die communicatie- en navigatiesignalen kunnen verstoren.

"Tijdens ons leven, dit is de beste zonsverduistering om te zien, " zei Greg Earle, een elektrotechnisch en computeringenieur bij Virginia Tech in Blacksburg, Virginia, die een ander onderzoek leidt. "Maar we hebben ook een dichter netwerk van satellieten, GPS- en radioverkeer dan ooit tevoren. Het is de eerste keer dat we zo'n schat aan informatie hebben om de effecten van deze zonsverduistering te bestuderen; we zullen verdrinken in gegevens."

Het kan lastig zijn om de ionosferische dynamiek vast te stellen. "Vergeleken met zichtbaar licht, de extreme ultraviolette output van de zon is zeer variabel, " zei Phil Erickson, een hoofdonderzoeker van een derde studie en ruimtewetenschapper aan het Haystack Observatory van het Massachusetts Institute of Technology in Westford, Massachusetts. "Dat zorgt voor variabiliteit in ionosferisch weer. Omdat onze planeet een sterk magnetisch veld heeft, geladen deeltjes worden ook beïnvloed langs magnetische veldlijnen over de hele planeet - dit alles betekent dat de ionosfeer gecompliceerd is."

Maar wanneer de totaliteit toeslaat op 21 augustus, wetenschappers zullen precies weten hoeveel zonnestraling wordt geblokkeerd, het gebied van het land waarvoor het is geblokkeerd en voor hoe lang. Gecombineerd met metingen van de ionosfeer tijdens de zonsverduistering, ze hebben informatie over zowel de zonne-input als de bijbehorende ionosfeerrespons, waardoor ze de mechanismen die ten grondslag liggen aan ionosferische veranderingen beter dan ooit tevoren kunnen bestuderen.

De drie onderzoeken samenbinden is het gebruik van geautomatiseerde communicatie- of navigatiesignalen om het gedrag van de ionosfeer tijdens de zonsverduistering te onderzoeken. Tijdens typische dag-nachtcycli, de concentratie van geladen atmosferische deeltjes, of plasma, wassen en afnemen met de zon.

"Overdag, ionosferisch plasma is dicht, ' zei Earle. 'Als de zon ondergaat, productie verdwijnt, geladen deeltjes recombineren geleidelijk gedurende de nacht en de dichtheid daalt. Tijdens de zonsverduistering, we verwachten dat proces in een veel korter interval."

Hoe dichter het plasma, hoe groter de kans dat deze signalen op hun weg van de signaalzender naar de ontvanger op geladen deeltjes botsen. Deze interacties breken, of buigen, het pad dat de signalen volgen. In de door eclips veroorzaakte kunstmatige nacht verwachten de wetenschappers sterkere signalen, omdat de atmosfeer en de ionosfeer minder van de uitgezonden energie zullen absorberen.

"Als we ergens een ontvanger opzetten, metingen op die locatie geven informatie over het deel van de ionosfeer tussen zender en ontvanger, "Zei Marshall. "We gebruiken de ontvangers om de fase en amplitude van het signaal te controleren. Als het signaal op en neer beweegt, dat wordt volledig geproduceerd door veranderingen in de ionosfeer."

Met behulp van een reeks verschillende elektromagnetische signalen, elk van de teams zal signalen heen en weer sturen over het pad van de totaliteit. Door te controleren hoe hun signalen zich van zender naar ontvanger voortplanten, ze kunnen veranderingen in ionosferische dichtheid in kaart brengen. De teams zullen deze technieken ook gebruiken om gegevens te verzamelen voor en na de zonsverduistering, zodat ze de goed gedefinieerde eclipsrespons kunnen vergelijken met het basislijngedrag van de regio, waardoor ze de eclips-gerelateerde effecten kunnen onderscheiden.

Onderzoek naar de ionosfeer

De ionosfeer is ruwweg in drie hoogtegebieden verdeeld op basis van de golflengte van de zonnestraling die wordt geabsorbeerd:de D, E en F, waarbij D het onderste gebied is en F, de bovenste. In combinatie, de drie experimentteams zullen de hele ionosfeer bestuderen.

Marshall en zijn team, van de Universiteit van Colorado Boulder, zal de reactie van de D-regio op de zonsverduistering met een zeer lage frequentie onderzoeken, of VLF, radio signalen. Dit is het laagste en minst dichte deel van de ionosfeer - en daarom het minst begrepen.

"Alleen omdat de dichtheid laag is, betekent niet dat het onbelangrijk is, Marshall zei. "De D-regio heeft gevolgen voor communicatiesystemen die actief worden gebruikt door veel militaire, marine- en technische operaties."

Het team van Marshall zal gebruik maken van het bestaande netwerk van krachtige VLF-zenders van de Amerikaanse marine om de reactie van de D-regio op veranderingen in de zonne-output te onderzoeken. Radiogolfuitzendingen verzonden vanuit Lamoure, Noord-Dakota, zal worden gevolgd bij ontvangststations over het eclipspad in Boulder, Colorado, en Berenmeer, Utah. Ze zijn van plan hun gegevens te combineren met observaties van verschillende ruimtemissies, inclusief NOAA's geostationaire operationele milieusatelliet, NASA's Solar Dynamics Observatory en NASA's Ramaty High Energy Solar Spectroscopische Imager, om het effect van de straling van de zon op dit specifieke gebied van de ionosfeer te karakteriseren.

Erickson en team zullen verder naar boven kijken, naar de E- en F-regio's van de ionosfeer. Met meer dan 6, 000 GPS-sensoren op de grond naast krachtige radarsystemen bij MIT's Haystack Observatory en Arecibo Observatory in Puerto Rico, samen met gegevens van verschillende NASA-ruimtemissies, het op MIT gebaseerde team zal ook samenwerken met burgerradiowetenschappers die radiosignalen over lange afstanden over het pad heen en weer zullen sturen.

Het wetenschappelijke team van MIT zal hun gegevens gebruiken om reizende ionosferische storingen - die soms verantwoordelijk zijn voor ruimteweerpatronen in de bovenste atmosfeer - en hun grootschalige effecten te volgen. Deze verstoringen in de ionosfeer zijn vaak gekoppeld aan een fenomeen dat bekend staat als atmosferische zwaartekrachtgolven, die ook kan worden veroorzaakt door verduisteringen.

"Misschien zien we zelfs effecten op wereldschaal, Erickson zei. "Het magnetische veld van de aarde is als een draad die twee verschillende hemisferen met elkaar verbindt. Wanneer elektrische variaties plaatsvinden in één halfrond, ze verschijnen in de andere."

Earle en zijn op Virginia Tech gebaseerde team zullen zich in het hele land in Bend, Oregon; Holton, Kansas; en Shaw Air Force Base in Sumter, Zuid Carolina. Met behulp van ultramoderne zendontvangerinstrumenten, ionosondes genaamd, ze zullen de hoogte en dichtheid van de ionosfeer meten, en combineren hun metingen met gegevens van een landelijk GPS-netwerk en signalen van het hamradio Reverse Beacon Network. Het team zal ook gegevens gebruiken van SuperDARN hoogfrequente radars, waarvan er twee langs het eclipspad in Christmas Valley liggen, Oregon, en Hay, Kansas.

"We kijken naar de onderkant van de F-regio, en hoe het verandert tijdens de zonsverduistering, Earle zei. "Dit is het deel van de ionosfeer waar de veranderingen in signaalvoortplanting sterk zijn." Hun werk zou op een dag kunnen helpen om verstoringen in de verspreiding van radiosignalen te verminderen, die AM-uitzendingen kunnen beïnvloeden, hamradio en GPS-signalen.

uiteindelijk, de wetenschappers zijn van plan hun gegevens te gebruiken om modellen van ionosferische dynamiek te verbeteren. Met deze ongekende datasets, ze hopen ons begrip van deze verwarrende regio te verbeteren.

"Anderen hebben door de jaren heen verduisteringen bestudeerd, maar met meer instrumentatie, we worden steeds beter in ons vermogen om de ionosfeer te meten, "Zei Erickson. "Het onthult meestal vragen die we nooit hadden gedacht te stellen."