Revolucije pri razumevanju ionosfere, vmesnika Zemlje v vesolje

Anonim

Znanstveniki iz NASA in treh univerz so predstavili nova odkritja o tem, kako se toplota in energija gibata in se manifestirata v jonosferi, regiji zemeljske atmosfere, ki se odziva na spremembe iz zgoraj omenjenega prostora in Zemlje.

Daleč nad Zemljino površino, v notranji zgornji atmosferi, je morje delcev, ki jih je sončno oster ultravijolično sevanje delilo v pozitivne in negativne ione. Klical je ionosfero, to je zemeljski vmesnik v vesolje, območje, kjer zemeljsko nevtralno vzdušje in zemeljsko vreme dajo prostor vesoljskemu okolju, ki dominira v večini preostalega vesolja - okolje, ki gosti napolnjene delce in kompleksen sistem električnega in magnetnega polja. Ionosfera sta oba oblikovana z valovi iz spodnje atmosfere in enolično odziven na spreminjajoče se razmere v vesolju, ki prenaša takšno vesoljsko vreme v opazne, zemeljsko učinkovite fenomene - ustvarjanje avrora, motenje komunikacijskih signalov in včasih povzročanje satelitskih težav.

Veliko teh učinkov ni dobro razumljeno, zaradi česar je ionosfera večinoma skrivnostna regija. Znanstveniki iz NASA-jevega centra Goddard Space Flight v Greenbeltu v Marylandu, Katoliški univerzi v Washingtonu, na Univerzi Colorado Boulder in Univerzi v Kaliforniji v Berkeleyju so predstavili nove rezultate o jonosferi na jesenskem srečanju ameriške geofizike Unija 14. decembra 2016 v San Franciscu.

En raziskovalec je pojasnil, kako interakcija med jonosfero in drugo plastjo v ozračju, termosfera, preprečuje segrevanje v termosferi - ogrevanje, ki vodi do širitve zgornje atmosfere, kar lahko povzroči prezgodnje orbitalno razpadanje. Drugi raziskovalec je opisal, kako se energija zunaj jonosfere nabira, dokler se ne izprazni - ne za razliko od strele - ki nudi razlago, kako se energija iz vesolja presega v ionosfero. Tretji znanstvenik je razpravljal o dveh prihajajočih misijah NASA, ki bodo zagotavljale ključne opazke te regije, kar nam bo pomagalo bolje razumeti, kako reakcija ionosfere vpliva na vesoljsko vreme in na kopensko vreme.

Spremembe v ionosferi so predvsem posledica sončne aktivnosti. Čeprav se nam na tleh lahko zdi nespremenljivo, je naše sonce v resnici zelo dinamična, aktivna zvezda. Gledanje sonca v ultravijoličnih valovnih dolžinah svetlobe iz vesolja - nad UV-svetlobo, ki blokira atmosfero - razkriva stalno aktivnost, vključno z razpokami svetlobe, delcev in magnetnih polj.

Občasno sonce sprošča ogromne oblake delcev in magnetnih polj, ki eksplodirajo iz sonca na več kot milijon kilometrov na uro. To se imenuje izločanje koronskih mase ali CME. Ko CME doseže Zemljo, lahko njena vgrajena magnetna polja vplivajo na zemeljsko naravno magnetno polje - ki se imenuje magnetosfera - včasih jo stisne ali celo povzroči, da se deli tega območja prerazporedijo.

Ta premik prenaša energijo v atmosferski sistem Zemlje, tako da odpre verižno reakcijo premikajočih se električnih in magnetnih polj, ki lahko pošiljajo delce, ki so že ujeti v bližini vsake zemlje, v vseh smereh. Ti delci lahko nato ustvarijo enega najbolj prepoznavnih in navdušujočih vesoljskih vremenskih dogodkov - aurora, sicer znanega kot Northern Lights.

Toda prenos energije v ozračje ni vedno tako neškodljiv. Prav tako lahko ogreje zgornjo atmosfero - kjer je orbita nizozemsko sateliti - povzroča, da se razširi kot balon vroče zrake.

"Ta oteklina pomeni, da je na večjih višinah več stvari, kot bi sicer pričakovali, " je povedal Delores Knipp, vesoljski znanstvenik na Univerzi Colorado Boulder. "Te dodatne stvari lahko povlečete na satelite, prekinete njihove orbite in jih naredijo težje slediti."

Ta pojav se imenuje satelitski povleci. Nove raziskave kažejo, da to razumevanje odziva zgornje atmosfere na sončne nevihte in posledično satelitsko povlečenje morda ni vedno resnično.

"Naše osnovno razumevanje je, da geomagnetne nevihte v sistem Zemlje dajo energijo, kar vodi do otekanja termosfere, ki lahko satelite spusti v nižje orbite", je dejal Knipp, vodilni raziskovalec teh novih rezultatov. "Ampak to ni vedno tako."

Včasih lahko energija iz sončnih neviht povzroči kemično reakcijo, ki proizvaja spojino, ki se imenuje dušikov oksid v zgornji atmosferi. Dušikov oksid deluje kot hladilno sredstvo na zelo visokih nadmorskih višinah, kar spodbuja izgubo energije v vesolje, zato lahko znatno povečanje te spojine povzroči pojav prekomernega ohlajanja.

"Prekomerno ohlajanje povzroča, da se atmosfera hitreje oddaljuje od geomagnetne nevihte veliko hitreje kot pričakovano, " je dejal Knipp. "Kot da se je termostat za zgornjo atmosfero zaljubil v nastavitev" kul "."

Ta hitra izguba energije preprečuje prejšnjo širitev, kar povzroči, da zgornja atmosfera propade nazaj - včasih v še manjšem stanju, kot se je začela, pri čemer so sateliti potovali po regijah nižje gostote, kot je bilo predvideno.

Nova analiza Knipp-a in njene ekipe razvrsti vrste neviht, ki lahko povzročijo prekomerno ohlajanje in hiter zlom zgornjega ozračja. Raziskovalci so s primerjavo več desetletij meritev s satelita Ministrstva za obrambo in NASOS-ove Termosfere, jonosfere, mezosfalne energetike in dinamike ali misije TIMED opazovali vzorce energije, ki se gibljejo v zgornjem ozračju.

"Prekomerno ohlajanje se najverjetneje zgodi, ko zelo hitro in magnetsko organizirano iztrebljanje iz sonca širi zemeljsko magnetno polje", je dejal Knipp. "Počasni oblaki ali slabo organizirani oblaki nimajo enakega učinka."

To pomeni, da bo, nasprotno, najbolj energična sončna nevihta verjetno omogočila neto hlajenje in zmanjševanje učinka na zgornjo atmosfero, namesto ogrevanja in razširjanja, kot je bilo prej razumljeno.

Tekmovanje s tem procesom hlajenja je ogrevanje, ki ga povzroča energija sončne nevihte, ki potuje v zemeljsko atmosfero. Čeprav znanstveniki vedo, da sončna energija vetra sčasoma doseže jonosfero, so malo razumele, kje, kdaj in kako se ta prenos odvija. Nove ugotovitve kažejo, da je proces lokaliziran in impulziven ter delno odvisen od stanja same ionosfere.

Tradicionalno so znanstveniki menili, da se način gibanja energije skozi zemeljsko magnetosfero in atmosfero določajo z značilnostmi dohodnih delcev in magnetnih polj sončnega vetra - na primer, dolg, enakomeren tok sončnih delcev bi povzročil različne učinke kot hitreje, manj skladen tok. Vendar pa novi podatki kažejo, da je način gibanja energije veliko bolj povezan z mehanizmi, s katerimi sta povezana magnetosfera in ionosfera.

"Postopek prenosa energije se zdi zelo podoben načinu strele med nevihto, " je povedal Bob Robinson, vesoljski znanstvenik v NASA Goddard in katoliška univerza v Ameriki.

Med nevihto nastane razlika električnega potenciala - imenovana napetost - med oblakom in tlemi vodi do nenadnega, nasilnega izpusta te električne energije v obliki strele. Ta izpust se lahko zgodi le, če obstaja električno prevodna pot med oblakom in tlemi, ki se imenuje vodja.

Podobno lahko sončni veter, ki ustvarja magnetosfero, poveča napetostno razliko med različnimi območji ionosfere in magnetosfero. Med temi regijami se lahko pojavijo električni tokovi, ki ustvarjajo prevodno pot, potrebno za to zgrajeno električno energijo, da se kot ionizem raztrese v obliki strele.

"Zemeljska strela traja več milisekund, medtem ko ta magnetosferno-ionosferna" osvetlitev "traja več ur - in količina prenesene energije je na stotine do tisočkrat večja, " je povedal Robinson, vodilni raziskovalec teh novih rezultatov. Ti rezultati temeljijo na podatkih iz globalne konstelacije satelitskih komunikacij Iridium.

Ker sončna nevihta povečujejo električne tokove, ki omogočajo, da se ta strela magnetosfera in jonosfere odvija, je ta vrsta prenosa energije veliko bolj verjetna, ko se sončno energijo izžareva zemeljsko magnetno polje.

Ogromen prenos energije iz te magnetosferno jonosferne razsvetljave je povezan z ogrevanjem ionosfere in zgornje atmosfere, pa tudi z zvišano auroro.

Pogled naprej

Čeprav znanstveniki napredujejo pri razumevanju ključnih procesov, ki vodijo spremembe v jonosferi in na Zemlji, je treba še veliko razumeti. Leta 2017 bo NASA začela dve misiji, da bi raziskala to dinamično regijo: Ionospheric Connection Explorer ali ICON ter globalne opazovalce limb in diska ali GOLD.

"Jonosfera ne reagira samo na energijo, ki jo povzročajo sončne nevihte, " je dejal Scott England, vesoljski znanstvenik na Univerzi v Kaliforniji, Berkeley, ki dela na ICON in GOLD misijah. "Zemeljsko vreme, kot so orkani in vzorci vetra, lahko oblikujeta atmosfero in ionosfero, spreminjajo, kako se odzivajo na vesoljsko vreme."

ICON bo istočasno meril značilnosti polnjenih delcev v jonosferi in nevtralnih delcih v ozračju - vključno s tistimi, ki jih oblikujejo zemeljske vremenske razmere - da bi razumeli, kako delujejo. GOLD bo izvedel več enakih meritev, vendar z geostacionarne orbite, ki daje globalni pogled na to, kako se spremeni jonosfera.

ICON in GOLD bodo izkoristili pojav, ki se imenuje airglow - svetloba, ki jo oddaja plin, ki je vzbujan ali ioniziran zaradi sončnega sevanja - za preučevanje jonosfere. Z merjenjem svetlobe iz zraka lahko znanstveniki spremljajo spreminjajočo se sestavo, gostoto in celo temperaturo delcev v jonosferi in nevtralnem ozračju.

Položaj ICON-a, 350 kilometrov nad Zemljo, bo omogočil, da preuči atmosfero v profilu, tako da znanstvenikom doživi neverjeten pogled na stanje ionosfere na različnih višinah. Medtem pa bo položaj GOLDa 22.000 milj nad Zemljo dal priložnost, da spremlja spremembe v jonosferi, ko se premikajo po vsem svetu, podobno temu, kako vremenski satelit spremlja vihar.

"S tema dvema misijama bomo skupaj razumeli, kako se dinamični vremenski sistemi odražajo v zgornji atmosferi in kako te spremembe vplivajo na ionosfero, " je dejal Anglija.

menu
menu