Nieuwe meettechnieken zullen betere metingen van de ionosfeer van de aarde mogelijk maken, een sleutel tot het bestuderen en verminderen van de impact van ruimteweer.

Radiosignalen worden sinds de jaren twintig gebruikt om de dichtheid van plasma te bestuderen. Zendende radiobronnen zijn onder meer ionosonden op de grond (speciale radar voor onderzoek van de ionosfeer), astronomische verschijnselen zoals pulsars en meer recentelijk signalen van ruimtevaartuigen die worden gebruikt voor het verzenden van gegevens.

Radiosignalen van Global Positioning Satellites (GPS) worden bijvoorbeeld gebruikt om de dichtheid van de ionosfeer van de aarde te meten. De reactie van het radiosignaal op het ionosferische plasma is echter ingewikkelder dan eenvoudigweg variëren als functie van de dichtheid. Het magnetische veld van de aarde beïnvloedt ook de fluctuaties van de elektromagnetische golven.

Faraday-rotatie is bijvoorbeeld een bekend fenomeen, zoals weergegeven in de afbeelding hierboven. Maar als techniek voor het meten van het magnetische veld is de rotatie van Faraday beperkt tot slechts het gedeelte dat in de juiste richting is georiënteerd. De nieuwe ontdekking vormt een aanvulling op de Faraday-rotatie en maakt een volledige meting van de magnetische veldsterkte mogelijk.

"We ontdekten dat het magnetische veld ruis in radiosignalen introduceerde. De onmiddellijke impact van dit werk is het mogelijk maken van betere metingen van de ionosfeer van de aarde. Bovendien worden alle ongunstige omstandigheden die worden besproken over de gevaren van ruimteweer uiteindelijk veroorzaakt door de omstandigheden van de aarde." ionosfeer reageert op het plasma van de zon", zegt Elizabeth Jensen, universitair hoofdonderzoeker bij het Planetary Science Institute.

Jensen is hoofdauteur van het artikel "The Hunt for Perpendicular Magnetic Field Measurements in Plasma", gepubliceerd in The Astrophysical Journal . "Door de fout in GPS-signalen vanaf de horizon te verminderen en de dekking uit te breiden naar de polen, worden problemen met verlies van communicatiegetrouwheid onmiddellijk verbeterd."

Het effect van het loodrechte magnetische veld van het plasma op de radiovoortplanting wordt weergegeven in de afbeelding hierboven. "We hebben ontdekt hoe we de communicatie tussen de aarde en ruimtevaartuigen kunnen verbeteren; hoe we de sterkte van het magnetische veld in ruimteplasma's kunnen meten, een belangrijk resultaat voor het verbeteren van voorspellingen in het ruimteweer; en hoe we magnetische veldmetingen kunnen verkrijgen uit oudere gearchiveerde ruimtevaartuiggegevens, ' zei Jensen. "Dit is met onze baanbrekende ontdekking over hoe we de bijdrage van het magnetische veld loodrecht op het signaalpad in radiogegevens kunnen isoleren."

Ruimteweervoorspelling, de fysica achter het destabiliseren van de ionosfeer door het plasma van de zon, wordt gedomineerd door de temperatuur, snelheid, dichtheid en magnetisch veld van het plasma dat van de zon komt. De grootste bron van fouten in deze ruimteweermodellen komt voort uit het gebrek aan magnetische veldmetingen in de tussenliggende ruimte tussen de zon en de aarde. Door ons vermogen om ruimteweer te voorspellen te verbeteren, via verbeterde magnetische veldmetingen, kunnen we de kosten van deze ongunstige omstandigheden verlagen.

‘Hier op aarde houden we ons in de eerste plaats bezig met ruimteweer. Ruimteweer bestaat uit de reactie van de plasmagebieden van de aarde op het plasma dat vrijkomt door de zon. Ongunstige omstandigheden die voortvloeien uit deze interactie zijn onder meer schade aan satellieten, waarbij personeel niet alleen in het ruimtestation wordt bestraald, maar ook op vluchten in de buurt van de polen, slechte communicatie door verlies van signaalgetrouwheid door vliegtuigen en andere GPS-afhankelijke apparatuur, bijvoorbeeld zelfrijdende voertuigen, en schade aan apparatuur zoals elektriciteitsleidingen of onderzeese kabels", aldus Jensen.

Meer informatie: Elizabeth A. Jensen et al, De jacht op loodrechte magnetische veldmetingen in plasma, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2347

Journaalinformatie: Astrofysisch tijdschrift

Aangeboden door Planetary Science Institute