In samenwerking met ruimteonderzoekers, Finse amateurfotografen hebben een nieuwe poollichtvorm ontdekt. Door de hobbyisten "duinen" genoemd, het fenomeen wordt verondersteld te worden veroorzaakt door golven van zuurstofatomen die gloeien als gevolg van een stroom deeltjes die vrijkomt uit de zon.

In het onlangs gepubliceerde onderzoek de oorsprong van de duinen werd gevolgd naar een golfgeleider gevormd binnen de mesosfeer en zijn grens, de mesopauze. De studie stelt ook dat deze nieuwe poollichtvorm onderzoekers een nieuwe manier biedt om de omstandigheden in de bovenste atmosfeer te onderzoeken.

De studie werd gepubliceerd in het eerste nummer van het high-impact tijdschrift AGU-vooruitgang .

Er verschijnt een onbekende vingerafdruk in de lucht

Minna Palmroth, Hoogleraar Computational Space Physics aan de Universiteit van Helsinki, leidt een onderzoeksgroep die 's werelds meest nauwkeurige simulatie ontwikkelt van de ruimte nabij de aarde en het ruimteweer dat poollichtemissies veroorzaakt.

De zon geeft een gestage stroom van geladen deeltjes af, bekend als de zonnewind. De geïoniseerde bovenste atmosfeer van de aarde bereiken, de ionosfeer, ze creëren poollichtemissies door atmosferische zuurstof- en stikstofatomen te prikkelen. De excitatietoestand wordt vrijgegeven als poollicht.

Eind 2018, Palmroth publiceerde een boek met de titel "Revontulibongarin opas" ("Een gids voor aurora borealis-kijkers"). Het boek is ontstaan ​​uit de samenwerking van Palmroth met Northern Lights-enthousiastelingen en de antwoorden die ze gaf op vragen over de fysica van het fenomeen in de hobbyisten' Facebook-groep.

Duizenden prachtige foto's van het noorderlicht gemaakt door hobbyisten werden onderzocht en gecategoriseerd voor het boek. Elke poollichtvorm is als een vingerafdruk, alleen typisch voor een bepaald fenomeen in de poollichtzone. Tijdens de classificatie hobbyisten wezen erop dat een bepaalde poollichtvorm niet in een van de reeds bestaande categorieën paste. Palmroth legde deze ongebruikelijke vormen opzij voor latere overweging.

Door een bijna ongelooflijk toeval, slechts enkele dagen nadat het boek werd gepubliceerd, de hobbyisten zagen deze ongebruikelijke vorm opnieuw en brachten Palmroth onmiddellijk op de hoogte. De vorm verscheen als een groen getint en gelijkmatig patroon van golven die leek op een gestreepte sluier van wolken of duinen op een zandstrand.

"Een van de meest memorabele momenten van onze onderzoekssamenwerking was toen het fenomeen op dat specifieke moment verscheen en we het in realtime konden onderzoeken, ", zegt noorderlicht- en astronomiehobbyist Matti Helin.

Golven nieuw onthuld door de aurora

Onderzoeken naar het fenomeen werden gelanceerd, met observaties van hobbyisten en wetenschappelijke methoden die samenkomen om de golven te verklaren.

"Het was alsof je een puzzel in elkaar zette of speurwerk deed, " zegt Helin. "Elke dag vonden we nieuwe beelden en kwamen we met nieuwe ideeën. Eventueel, we hebben het tot op de bodem uitgezocht..."

Het fenomeen werd tegelijkertijd gefotografeerd in zowel Laitila als Ruovesi, Zuidwest-Finland, met hetzelfde detail waargenomen in de poollichtemissie in beide afbeeldingen. Maxime Grandin, een postdoctoraal onderzoeker in het team van Palmroth, identificeerde sterren achter de emissie en bepaalde de azimut en elevatie van de sterren met behulp van het astronomiesoftwareprogramma Stellarium. Dit maakte het mogelijk om de sterren als referentiepunten te gebruiken bij het berekenen van de hoogte en omvang van het poollichtverschijnsel.

Grandin ontdekte dat de poollichtduinen op een relatief lage hoogte van 100 kilometer voorkomen, in de bovenste delen van de mesosfeer. De golflengte van het golfveld werd gemeten als 45 kilometer.

Een totaal van zeven soortgelijke gebeurtenissen - waarbij een camera hetzelfde gelijkmatige golfpatroon had vastgelegd - werden verder geïdentificeerd door de "Taivaanvahti" ("Sky Watch")-service die wordt onderhouden door de Finse Amateur Astronomer Association, Ursa.

Onontgonnen gebied

Het deel van de poollichtzone waar de elektrisch neutrale atmosfeer van de aarde de rand van de ruimte raakt, is een uiterst uitdagende omgeving voor satellieten en andere instrumenten in de ruimte. Palmroth zegt dat het daarom een ​​van de minst bestudeerde plekken op onze planeet is.

"Vanwege de moeilijkheden bij het meten van atmosferische verschijnselen die optreden tussen 80 en 120 kilometer hoogte, we noemen dit gebied soms 'de onwetendheid, '" ze zegt.

De duinen werden precies in dat specifieke gebied van de poollichtzone waargenomen. Het waargenomen fenomeen leidde de onderzoekers naar een middenweg tussen atmosferisch onderzoek en ruimteonderzoek, omdat de gebruikelijke methodologie van de ruimtefysica het niet alleen kon verklaren.

"De verschillen in helderheid binnen de duingolven kunnen te wijten zijn aan golven in de neerslaande deeltjes die uit de ruimte komen, of in de onderliggende zuurstofatomen in de lucht, " zegt Palmroth. "Uiteindelijk stelden we voor dat de duinen het resultaat zijn van een verhoogde dichtheid van zuurstofatomen."

Volgende, het team moest bepalen hoe de variabiliteit in de dichtheid van de zuurstofatomen veroorzaakt door zwaartekrachtgolven in de atmosfeer resulteert in zo'n gelijkmatig en wijdverbreid golfveld. Normaal gesproken zijn er op de studiehoogte veel verschillende soorten zwaartekrachtgolven die in verschillende richtingen op verschillende golflengten reizen, daarom vormen ze niet gemakkelijk de gelijkmatige golfvelden die de duinen vertonen.

Het noorderlicht verlicht een getijdeboring

De studie suggereert dat het fenomeen in kwestie een mesosferische boring is, een zeldzaam en weinig bestudeerd fenomeen dat plaatsvindt in de mesosfeer. Het fenomeen getijboring is een golf die veel rivieren gemeen hebben, waar het getij het rivierkanaal opgaat.

Verschillende soorten zwaartekrachtgolven worden in de atmosfeer geboren en stijgen vervolgens op. In zeer zeldzame gevallen kan zwaartekrachtgolven kunnen worden gefilterd als ze tussen de mesopauze en een inversielaag die met tussenpozen onder de mesopauze wordt gevormd, stijgen. De inversielaag zorgt ervoor dat de gefilterde golven buigen en stelt ze in staat om lange afstanden door het kanaal af te leggen zonder demping.

Wanneer de zuurstofatomen in de boring botsen met de elektronen die neerslaan op de atmosfeer, ze worden opgewonden. Bij het loslaten van deze opwinding, ze creëren het poollicht. Dit is de reden waarom mesosferische boringen - een fenomeen dat tot nu toe als een zeer uitdagend onderwerp van onderzoek werd beschouwd - af en toe met het blote oog kunnen worden gezien.

Ruimteonderzoekers richten zich op de atmosfeer

Voorafgaand aan deze ontdekking, mesosferische boringen werden niet waargenomen in de poollichtzone, evenmin zijn ze onderzocht via poollichtemissies.

"De poollichtzone als geheel wordt meestal buiten beschouwing gelaten in studies gericht op de boring, aangezien poollichtemissies de techniek aantasten die wordt gebruikt om mesosferische boringen te identificeren, ' zegt Palmroth.

traditioneel, onderzoekers die gespecialiseerd zijn in atmosfeer en ruimte hebben hun interessegebieden grotendeels los van elkaar onderzocht. Dit komt omdat er slechts een handvol bekende mechanismen van interactie zijn tussen de ionosfeer die baden in de neerslaande elektronen, en de neutrale sfeer.

Met behulp van meetapparatuur van het Finse Meteorologisch Instituut, de duinen bleken gelijktijdig en in hetzelfde gebied voor te komen waar de elektromagnetische energie uit de ruimte wordt overgebracht naar de ignorosfeer.

"Dit zou kunnen betekenen dat de energie die vanuit de ruimte naar de ionosfeer wordt overgebracht, mogelijk verband houdt met het ontstaan ​​van de inversielaag in de mesosfeer, ", zegt Palmroth. "In termen van natuurkunde, dit zou een verbazingwekkende ontdekking zijn, omdat het een nieuw en voorheen onopgemerkt mechanisme van interactie tussen de ionosfeer en de atmosfeer zou vertegenwoordigen."