Het vogeloog van NASA Gold onthult mysterieuze dynamiek op het raakvlak van de aarde met de ruimte

Nieuwe zoekopdracht met gegevens van NASADe Global Extremity and Disc Observation-missie, of GOLD, heeft onverwacht gedrag onthuld in de uitgestrektheid van geladen deeltjes die de evenaar van de aarde verbinden – misschien dankzij GOLD’s wereldwijde langetermijnvisie, de eerste in zijn soort voor dit type. uit meten.

Goud bevindt zich in een geostationaire baan, wat betekent dat het met dezelfde snelheid om de aarde draait als de planeet en over dezelfde plek “zweeft”. Hierdoor kan GOLD dezelfde regio zien voor veranderingen in de tijd over lengte- en breedtegraad, iets wat de meeste satellieten die de bovenste atmosfeer bestuderen niet kunnen doen.

“Omdat GOLD zich op een geostationaire satelliet bevindt, kunnen we een tweedimensionale tijdsevolutie van deze dynamiek vastleggen”, zegt Dr. Xuguang Cai, een onderzoeker aan het High Altitude Observatory in Boulder, Colorado, en hoofdauteur van een nieuw onderzoekspaper.

GOLD richt zich op delen van de bovenste atmosfeer van de aarde die zich uitstrekken van ongeveer 50 tot 400 mijl hoog, inclusief een neutrale laag die de thermosfeer wordt genoemd en de elektrisch geladen deeltjes waaruit de ionosfeer bestaat. In tegenstelling tot de neutrale deeltjes in het grootste deel van de atmosfeer van de aarde, reageren geladen deeltjes in de ionosfeer op elektrische en magnetische velden die door de atmosfeer en de nabije aarde gaan. Maar omdat geladen en neutrale deeltjes met elkaar worden vermengd, kan iets dat de ene populatie treft, ook een andere beïnvloeden.

NASA’s GOLD-missie – een acroniem voor Observations on the Global Tip and Disk Scale – zag een plotselinge asymmetrische beweging in een van de dubbele banden van geladen deeltjes die zich ’s nachts in de atmosfeer van de aarde vormen. Het unieke perspectief van GOLD (rechts) maakte deze waarneming mogelijk, omdat andere soorten metingen met grondinstrumenten (links) geen veranderingen boven open water kunnen zien. De rode stippen tonen de piek van de elektronenband zoals gemeten door sensoren op de grond die het totale elektronengehalte meten, terwijl de zwarte stippen de piek van de elektronenband tonen gemeten door GOUD. Aan het einde van de visualisatie verschijnen de gemeten pieken op verschillende plaatsen. Krediet: NASA’s Science Visualization Studio

Dit betekent dat de ionosfeer en de bovenste atmosfeer worden gevormd door een complexe combinatie van factoren, waaronder ruimteweersomstandigheden – zoals geomagnetische stormen aangedreven door de zon – en aards weer. Deze gebieden dienen ook als snelweg voor veel van onze signalen voor communicatie en navigatie. Veranderingen in de dichtheid en samenstelling van de ionosfeer kunnen signalen die er doorheen gaan, zoals radio en GPS, vervormen.

Vanuit zijn uitkijkpunt op een commerciële communicatiesatelliet in een geostationaire baan, maakt GOLD ongeveer elke 30 minuten waarnemingen op hemisferisch niveau van de ionosfeer. Deze ongekende kijk geeft wetenschappers nieuwe inzichten in hoe deze regio verandert.

mysterieuze beweging

Een van de meest onderscheidende kenmerken van de nachtelijke ionosfeer zijn de dubbele banden van dicht geladen deeltjes aan weerszijden van de magnetische evenaar van de aarde. Deze banden – de equatoriale ionisatie-anomalieën of EIA genoemd – kunnen in grootte, vorm en intensiteit veranderen, afhankelijk van de omstandigheden in de ionosfeer.

Bands kunnen ook hun positie verplaatsen. Tot nu toe hebben wetenschappers vertrouwd op gegevens die zijn vastgelegd door satellieten die door de regio gaan, waarbij ze metingen over maanden gemiddeld hebben genomen om te zien hoe het bereik op de lange termijn zou kunnen veranderen. Maar veranderingen op korte termijn zijn moeilijker te volgen.

Voorafgaand aan GOLD vermoedden wetenschappers dat snelle veranderingen in banden symmetrisch zouden zijn. Als de noordelijke band naar het noorden beweegt, maakt de zuidelijke band een omgekeerde beweging naar het zuiden. Op een nacht in november 2018 zag GOLD iets dat dat idee in twijfel trok: de zuidelijke band van deeltjes dreef naar het zuiden, terwijl de noordelijke band stabiel bleef – alles in minder dan twee uur.

De vorm van het aardmagnetisch veld (weergegeven door de oranje lijnen in deze datavisualisatie) nabij de evenaar duwt geladen deeltjes (blauw) weg van de evenaar, waardoor twee dichte banden ten noorden en ten zuiden van de evenaar ontstaan ​​die bekend staan ​​als de equatoriale ionanomalie. Krediet: NASA’s Science Visualization Studio

Dit is niet de eerste keer dat wetenschappers de bands op deze manier hebben zien bewegen, maar deze kortere gebeurtenis – slechts ongeveer twee uur, vergeleken met de meer typische twee uur van zes tot acht uur die eerder werden gezien – werd voor het eerst gezien en kon zijn alleen eerder waargenomen GOUD. De aantekeningen zijn uiteengezet in een paper gepubliceerd op 29 december 2020, op: Journal of Geophysical Research: Ruimtefysica.

De symmetrische drift van deze banden ontstaat door de hoogte van de lucht die de geladen deeltjes meetrekt. Als de avond valt en de temperaturen afkoelen, stijgen zakken met warmere lucht op. Geladen deeltjes die in deze warmere luchtzakken worden gedragen, zijn verbonden door magnetische veldlijnen, en voor die zakken nabij de magnetische evenaar van de aarde betekent de vorm van het magnetische veld van de aarde dat opwaartse beweging ook geladen deeltjes horizontaal duwt. Dit creëert de symmetrische noord-zuid drift van de twee banden van geladen deeltjes.

De exacte oorzaak van de asymmetrische aberratie die door GOLD wordt waargenomen, blijft een mysterie – hoewel Cai vermoedt dat het antwoord ligt in een combinatie van de vele factoren die de beweging van elektronen in de ionosfeer bepalen: aanhoudende chemische reacties, elektrische velden en wind op grote hoogte in de regio.

Het is echter verrassend dat deze bevindingen wetenschappers kunnen helpen achter het gordijn van de ionosfeer te kijken en beter te begrijpen wat de veranderingen veroorzaakt. Omdat het onmogelijk is om elk proces te volgen met een satelliet- of grondsensor, vertrouwen wetenschappers sterk op computermodellen om de ionosfeer te bestuderen, zoals die waarmee meteorologen het weer op aarde kunnen voorspellen. Om deze simulatie te maken, coderen wetenschappers wat ze vermoeden dat de onderliggende fysica aan het werk is en vergelijken ze de voorspelling van het model met de waargenomen gegevens.

Vóór GOLD verkregen wetenschappers deze gegevens van occasionele transiterende satellieten en beperkte grondobservaties. Nu geeft GOLD wetenschappers een uitgebreid overzicht.

Referentie: “Observation of Post-Sunset OI 135.6 nm Radiation Enhancement Over South America by the Gold Expedition” door Xuguang Cai, Alan G. Burns, Wenbin Wang, Liying Qian, Jing Liu, Stanley C. Solomon, Richard W. Eastes, Robert E. Danielle, Carlos R. Martins, William E. McClintock en Inez S. Batista, 29 december 202, hier beschikbaar. Journal of Geophysical Research: Ruimtefysica.
doi: 10.1029/ 2020JA028108