Die Vogelperspektive von NASA Gold enthüllt mysteriöse Dynamiken an der Schnittstelle der Erde zum Weltraum

Prozesse in der oberen Erdatmosphäre erzeugen helle Farbflächen, die als atmosphärische Blendung bekannt sind, wie hier auf einem Bild von der Internationalen Raumstation ISS zu sehen ist. Kredit: NASA

Neue Suche mit Daten von NASADie Global Extremity and Disc Observation Mission (GOLD) hat ein unerwartetes Verhalten in den Weiten geladener Teilchen aufgedeckt, die den Erdäquator verbinden – vielleicht dank der weitreichenden globalen Vision von GOLD, der ersten ihrer Art für diese Art. aus der Messung.

Gold befindet sich in einer geostationären Umlaufbahn, das heißt, es umkreist die Erde mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Planet und „schwebt“ über derselben Stelle. Dies ermöglicht es GOLD, dieselbe Region auf Veränderungen im Laufe der Zeit über Längen- und Breitengrade zu sehen, was die meisten Satelliten, die die obere Atmosphäre untersuchen, nicht können.

„Da sich GOLD auf einem geostationären Satelliten befindet, können wir eine zweidimensionale Zeitentwicklung dieser Dynamiken erfassen“, sagte Dr. Xuguang Cai, Forscher am High Altitude Observatory in Boulder, Colorado, und Hauptautor einer neuen Forschungsarbeit.

GOLD konzentriert sich auf Teile der oberen Erdatmosphäre, die sich von etwa 80 bis 400 Meilen Höhe erstrecken, einschließlich einer neutralen Schicht, die als Thermosphäre bezeichnet wird, und der elektrisch geladenen Teilchen, aus denen die Ionosphäre besteht. Im Gegensatz zu den neutralen Teilchen in den meisten Teilen der Erdatmosphäre reagieren geladene Teilchen in der Ionosphäre auf elektrische und magnetische Felder, die durch die Atmosphäre und den erdnahen Weltraum gehen. Aber weil geladene und neutrale Teilchen miteinander vermischt sind, kann etwas, das eine Population beeinflusst, auch eine andere beeinflussen.

Die GOLD-Mission der NASA – kurz für Global Observations of the Limb and Disk – sah eine plötzliche asymmetrische Bewegung in einem der Doppelbänder geladener Teilchen, die sich nachts in der Erdatmosphäre bilden. Die einzigartige Perspektive von GOLD (rechts) machte diese Beobachtung möglich, da andere Arten von Messungen mit bodengestützten Instrumenten (links) keine Veränderungen über offenem Wasser sehen können. Die roten Punkte zeigen den Elektronenband-Peak, wie er von bodengebundenen Sensoren gemessen wird, die den Gesamtelektronengehalt messen, während die schwarzen Punkte den von GOLD gemessenen Elektronenband-Peak zeigen. Am Ende der Visualisierung erscheinen die gemessenen Peaks an verschiedenen Stellen. Bildnachweis: Science Visualization Studio der NASA

Dies bedeutet, dass die Ionosphäre und die obere Atmosphäre von einer komplexen Kombination von Faktoren geprägt werden, darunter Weltraumwetterbedingungen – wie von der Sonne angetriebene geomagnetische Stürme – und terrestrisches Wetter. Diese Gebiete dienen auch als Autobahn für viele unserer Signale für Kommunikation und Navigation. Veränderungen in der Dichte und Zusammensetzung der Ionosphäre können die durch sie hindurchgehenden Signale wie Radio und GPS verzerren.

Von seinem Aussichtspunkt auf einem kommerziellen Kommunikationssatelliten in einer geostationären Umlaufbahn führt GOLD etwa alle 30 Minuten Beobachtungen der Ionosphäre auf Hemisphärenebene durch. Diese beispiellose Sichtweise gibt Wissenschaftlern neue Erkenntnisse darüber, wie sich diese Region verändert.

mysteriöse Bewegung

Eines der charakteristischsten Merkmale der nächtlichen Ionosphäre sind die Doppelbänder dicht geladener Teilchen auf beiden Seiten des magnetischen Äquators der Erde. Diese Bänder – äquatoriale Ionisationsanomalien oder EIA genannt – können sich je nach den Bedingungen in der Ionosphäre in Größe, Form und Intensität ändern.

Bänder können auch ihre Position verschieben. Bisher haben sich Wissenschaftler auf Daten verlassen, die von Satelliten erfasst wurden, die die Region durchqueren, und über Monate gemittelte Messungen vorgenommen, um zu sehen, wie sich die Reichweiten langfristig ändern könnten. Aber kurzfristige Veränderungen waren schwieriger zu verfolgen.

Vor GOLD vermuteten Wissenschaftler, dass alle schnellen Bandänderungen symmetrisch sein würden. Wenn sich das nördliche Band nach Norden bewegt, macht das südliche Band eine umgekehrte Bewegung nach Süden. Eines Nachts im November 2018 sah GOLD etwas, das diese Idee in Frage stellte: Das südliche Teilchenband driftete nach Süden, während das nördliche Band stabil blieb – alles in weniger als zwei Stunden.

Die Form des Erdmagnetfelds (in dieser Datenvisualisierung durch die orangefarbenen Linien dargestellt) in der Nähe des Äquators drückt geladene Teilchen (blau) vom Äquator weg, wodurch zwei dichte Bänder nördlich und südlich des Äquators entstehen, die als äquatoriale Ionenanomalie bekannt sind. Bildnachweis: Science Visualization Studio der NASA

Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler die Banden auf diese Weise bewegen, aber dieses kürzere Ereignis – nur etwa zwei Stunden im Vergleich zu den typischeren zwei Stunden von sechs bis acht Stunden zuvor – wurde zum ersten Mal gesehen und konnte wurden nur vorher beobachtet GOLD. Die Notizen sind in einem Papier beschrieben, das am 29. Dezember 2020 unter . veröffentlicht wurde Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik.

Die symmetrische Drift dieser Bänder entsteht durch die Höhe der Luft, die die geladenen Teilchen mit sich zieht. Wenn die Nacht hereinbricht und die Temperaturen kühler werden, steigen wärmere Luftblasen auf. Geladene Teilchen, die in diesen wärmeren Lufttaschen getragen werden, sind durch magnetische Feldlinien verbunden, und für diese Taschen in der Nähe des magnetischen Äquators der Erde bedeutet die Form des Erdmagnetfelds, dass die Aufwärtsbewegung auch geladene Teilchen horizontal schiebt. Dadurch entsteht die symmetrische Nord-Süd-Drift der beiden Bänder geladener Teilchen.

Die genaue Ursache der von GOLD beobachteten asymmetrischen Aberration bleibt ein Rätsel – obwohl Cai vermutet, dass die Antwort in einer Kombination der vielen Faktoren liegt, die die Bewegung von Elektronen in der Ionosphäre bestimmen: laufende chemische Reaktionen, elektrische Felder und Winde aus großer Höhe in der Region.

Überraschenderweise könnten diese Ergebnisse den Wissenschaftlern helfen, hinter den Vorhang der Ionosphäre zu blicken und besser zu verstehen, was ihre Veränderungen antreibt. Da es unmöglich ist, jeden Prozess mit einem satelliten- oder bodengestützten Sensor zu überwachen, verlassen sich Wissenschaftler bei der Untersuchung der Ionosphäre stark auf Computermodelle, die beispielsweise Meteorologen bei der Vorhersage des Wetters auf der Erde helfen. Um diese Simulation zu erstellen, codieren Wissenschaftler die ihrer Meinung nach zugrunde liegende Physik und vergleichen die Vorhersage des Modells mit den beobachteten Daten.

Vor GOLD erhielten Wissenschaftler diese Daten von gelegentlichen Transitsatelliten und begrenzten Bodenbeobachtungen. Jetzt gibt GOLD Wissenschaftlern einen umfassenden Überblick.

Referenz: „Observation of Post-Sunset OI 135.6 nm Radiation Enhancement Over South America by the Gold Expedition“ von 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 und Inez S. Batista, 29. Dezember 202, hier erhältlich. Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik.
doi: 10.1029/ 2020JA028108