Een speciaal soort aurora, oost-west gedrapeerd langs de nachtelijke hemel als een gloeiende parelketting, helpt wetenschappers de wetenschap van aurora's en hun krachtige drijfveren in de ruimte beter te begrijpen. Bekend als auroral kralen, deze lichten verschijnen vaak net voor grote poollichten, die worden veroorzaakt door elektrische stormen in de ruimte die substormen worden genoemd. Eerder, wetenschappers wisten niet zeker of poollichtparels op de een of andere manier verbonden zijn met andere poollichtweergaven als een fenomeen in de ruimte dat voorafgaat aan substormen, of als ze worden veroorzaakt door storingen dichter bij de atmosfeer van de aarde.

Maar krachtige nieuwe computermodellen in combinatie met observaties van NASA's Time History of Events en Macroscale Interactions during Substorms-THEMIS-missie hebben het eerste sterke bewijs geleverd van de gebeurtenissen in de ruimte die hebben geleid tot het verschijnen van deze kralen, en demonstreerden de belangrijke rol die ze spelen in onze nabije ruimteomgeving.

"Nu weten we zeker dat de vorming van deze kralen deel uitmaakt van een proces dat voorafgaat aan het op gang brengen van een substorm in de ruimte, " zei Vassilis Angelopoulos, hoofdonderzoeker van THEMIS aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. "Dit is een belangrijk nieuw stukje van de puzzel."

Door een breder beeld te geven dan alleen met de drie THEMIS-ruimtevaartuigen of grondobservaties kan worden gezien, de nieuwe modellen hebben aangetoond dat poollichtkorrels worden veroorzaakt door turbulentie in het plasma - een vierde toestand van materie, bestaande uit gasvormige en sterk geleidende geladen deeltjes - die de aarde omringen. De resultaten, onlangs gepubliceerd in de tijdschriften Geofysische onderzoeksbrieven en Journal of Geophysical Research:Ruimtefysica , zal uiteindelijk wetenschappers helpen om het volledige scala aan wervelende structuren in de aurora's beter te begrijpen.

"THEMIS-waarnemingen hebben nu turbulenties in de ruimte aan het licht gebracht die stromen veroorzaken die de lucht verlichten als enkele parels in de gloeiende poollichtketting, " zei Jevgeny Panov, hoofdauteur van een van de nieuwe artikelen en THEMIS-wetenschapper aan het Space Research Institute van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen. "Deze turbulenties in de ruimte worden aanvankelijk veroorzaakt door lichtere en wendbare elektronen, bewegen met het gewicht van deeltjes 2000 keer zwaarder, en die zich in theorie kunnen ontwikkelen tot substormen op ware grootte met poollicht."

Mysteries van de vorming van Auroral-kralen

Aurora's worden gecreëerd wanneer geladen deeltjes van de zon worden gevangen in de magnetische omgeving van de aarde - de magnetosfeer - en naar de bovenste atmosfeer van de aarde worden geleid, waar botsingen waterstof veroorzaken, zuurstof, en stikstofatomen en moleculen om te gloeien. Door de omgeving nabij de aarde te modelleren op schalen van tientallen mijlen tot 1,2 miljoen mijlen, de THEMIS-wetenschappers waren in staat om de details te laten zien van hoe poollichtkorrels worden gevormd.

Terwijl stromende plasmawolken uitgebraakt door de zon de aarde passeren, hun interactie met het magnetische veld van de aarde creëert drijvende plasmabellen achter de aarde. Als een lavalamp, onevenwichtigheden in het drijfvermogen tussen de bellen en zwaarder plasma in de magnetosfeer creëren vingers van plasma 2, 500 mijl breed die zich uitstrekken naar de aarde. Handtekeningen van deze vingers creëren de duidelijke kraalvormige structuur in de aurora.

"Er is een besef geweest dat, alles samengevat, deze relatief kleine voorbijgaande gebeurtenissen die plaatsvinden rond de magnetosfeer zijn op de een of andere manier belangrijk, " zei David Sibeck, THEMIS-projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "We zijn pas onlangs op het punt gekomen waarop de rekenkracht goed genoeg is om de basisfysica in deze systemen vast te leggen."

Nu wetenschappers begrijpen dat de poollichtparels voorafgaan aan substormen, ze willen uitzoeken hoe, waarom en wanneer de kralen een volledige substorm kunnen veroorzaken. In theorie althans de vingers kunnen magnetische veldlijnen in de war brengen en een explosieve gebeurtenis veroorzaken die bekend staat als magnetische herverbinding, waarvan bekend is dat het substormen en aurora's op ware grootte creëert die de nachtelijke hemel vullen.

Nieuwe modellen openen nieuwe deuren

Sinds de lancering in 2007, THEMIS heeft gedetailleerde metingen gedaan terwijl het door de magnetosfeer gaat om de oorzaken te begrijpen van de substormen die tot aurora's leiden. In zijn belangrijkste missie, THEMIS kon aantonen dat magnetische herverbinding een primaire aanjager is van substormen. De nieuwe resultaten benadrukken het belang van structuren en fenomenen op kleinere schaal - die honderden en duizenden kilometers breed in vergelijking met die van miljoenen kilometers.

"Om deze kenmerken in de aurora te begrijpen, je moet echt zowel globaal als kleiner oplossen, lokale schalen. Daarom was het tot nu toe zo uitdagend, " zei Slava Merkin, co-auteur van een van de nieuwe artikelen en wetenschapper bij NASA's Center for Geospace Storms met het hoofdkantoor in het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. "Het vereist zeer geavanceerde algoritmen en zeer grote supercomputers."

De nieuwe computersimulaties sluiten bijna perfect aan bij THEMIS en grondobservaties. Na het aanvankelijke succes van de nieuwe computermodellen, THEMIS-wetenschappers willen ze graag toepassen op andere onverklaarbare poollichtverschijnselen. Vooral bij het verklaren van kleinschalige structuren, computermodellen zijn essentieel omdat ze kunnen helpen interpreteren wat er gebeurt tussen de ruimtes waar de drie THEMIS-ruimtevaartuigen passeren.

"Er is veel zeer dynamische, zeer kleinschalige structuren die mensen in de aurora's zien en die moeilijk te verbinden zijn met het grotere geheel in de ruimte omdat ze zeer snel en op zeer kleine schaal gebeuren, " zei Kareem Sorathia, hoofdauteur van een van de nieuwe artikelen en wetenschapper bij NASA's Center for Geospace Storms met het hoofdkantoor in het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. "Nu we globale modellen kunnen gebruiken om ze te karakteriseren en te onderzoeken, dat opent veel nieuwe deuren."