21 августа 2017 года Луна скользнет перед Солнцем, и на короткое время день растворится в темной ночи. Двигаясь по стране, тень Луны будет блокировать свет Солнца, и, если позволит погода, те, кто находится на пути тотальности, увидят внешнюю атмосферу Солнца, называемую короной.
Но полное солнечное затмение также будет иметь незаметные последствия, такие как внезапная потеря экстремального ультрафиолетового излучения Солнца, которое создает ионизированный слой атмосферы Земли, называемый ионосферой. Этот постоянно меняющийся регион растет и сжимается в зависимости от состояния Солнца. Он находится в центре внимания нескольких научных групп, финансируемых НАСА, которые будут использовать затмение в качестве готового эксперимента, любезно предоставленного природой.
НАСА пользуется затмением 21 августа, финансируя 11 наземных научных исследований в Соединенных Штатах. Три из них будут направлены на ионосферу, чтобы улучшить наше понимание связи Солнца с этой областью, где вращаются спутники и радиосигналы отражаются обратно к Земле.
«Затмение выключает ионосферный источник высокоэнергетического излучения», - сказал Боб Маршалл, ученый-космонавт из Университета Колорадо в Боулдере и главный исследователь одного из исследований. «Без ионизирующего излучения ионосфера будет расслабляться, переходя от дневных условий к ночным, а затем обратно после затмения».
Простирающаяся примерно от 50 до 400 миль над поверхностью Земли, разреженная ионосфера представляет собой наэлектризованный слой атмосферы, который реагирует на изменения как с Земли внизу, так и из космоса вверху. Такие изменения в нижних слоях атмосферы или космической погоды могут проявляться в виде нарушений в ионосфере, которые могут создавать помехи для связи и навигационных сигналов.
«Это лучшее затмение в нашей жизни», - сказал Грег Эрл, инженер-электрик и компьютерщик из Технологического института Вирджинии в Блэксбурге, штат Вирджиния, который возглавляет другое исследование. «Но у нас также есть более плотная сеть спутников, GPS и радиотрафик, чем когда-либо прежде. Впервые у нас будет такое количество информации для изучения последствий этого затмения; мы утонем в данных»."
Определить динамику ионосферы может быть сложно. «По сравнению с видимым светом излучение Солнца в экстремальном ультрафиолете сильно варьируется», - сказал Фил Эриксон, главный исследователь третьего исследования и космонавт из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института в Вестфорде, штат Массачусетс. «Это создает изменчивость ионосферной погоды. Поскольку наша планета имеет сильное магнитное поле, на заряженные частицы также воздействуют вдоль силовых линий магнитного поля по всей планете - все это означает, что ионосфера устроена сложно."
Но когда 21 августа наступит тотальность, ученые будут точно знать, сколько солнечной радиации заблокировано, площадь земли, на которой оно заблокировано, и на какой срок. В сочетании с измерениями ионосферы во время затмения у них будет информация как о солнечном входе, так и о соответствующем отклике ионосферы, что позволит им лучше, чем когда-либо прежде, изучать механизмы, лежащие в основе изменений в ионосфере..
Связыванием трех исследований является использование автоматической связи или навигационных сигналов для изучения поведения ионосферы во время затмения. Во время типичных циклов день-ночь концентрация заряженных атмосферных частиц или плазмы увеличивается и уменьшается вместе с Солнцем.
«Днем ионосферная плазма плотная», - сказал Эрл. «Когда Солнце садится, производство прекращается, заряженные частицы постепенно рекомбинируют в течение ночи, и плотность падает. Во время затмения мы ожидаем, что этот процесс будет происходить гораздо быстрее».
Чем плотнее плазма, тем больше вероятность того, что эти сигналы столкнутся с заряженными частицами на пути от передатчика сигнала к приемнику. Эти взаимодействия преломляют или изгибают путь сигналов. В искусственной ночи, вызванной затмением, ученые ожидают более сильные сигналы, поскольку атмосфера и ионосфера будут поглощать меньше передаваемой энергии.
«Если мы установим где-нибудь приемник, измерения в этом месте предоставят информацию о части ионосферы между передатчиком и приемником», - сказал Маршалл. «Мы используем приемники для отслеживания фазы и амплитуды сигнала. Когда сигнал колеблется вверх и вниз, это полностью вызвано изменениями в ионосфере».
Используя ряд различных электромагнитных сигналов, каждая из команд будет посылать сигналы туда и обратно по пути тотальности. Отслеживая, как их сигналы распространяются от передатчика к приемнику, они могут отображать изменения плотности ионосферы. Команды также будут использовать эти методы для сбора данных до и после затмения, чтобы они могли сравнить четко определенную реакцию затмения с базовым поведением региона, что позволит им различить эффекты, связанные с затмением..
Зондирование ионосферы
Ионосфера условно делится на три области по высоте в зависимости от того, какая длина волны солнечного излучения поглощается: D, E и F, где D - самая нижняя область, а F - самая верхняя. Вместе три экспериментальные группы изучат всю ионосферу.
Маршалл и его команда из Университета Колорадо в Боулдере будут исследовать реакцию D-региона на затмение с помощью очень низкочастотных, или VLF, радиосигналов. Это самая нижняя и наименее плотная часть ионосферы - и поэтому наименее изученная.
«То, что плотность низкая, не означает, что это неважно», - сказал Маршалл. «Регион D имеет значение для систем связи, активно используемых во многих военных, военно-морских и инженерных операциях».
Команда Маршалла воспользуется существующей сетью мощных передатчиков СНЧ ВМС США, чтобы изучить реакцию D-региона на изменения солнечной активности. Передачи радиоволн, отправленные из Ламура, Северная Дакота, будут отслеживаться на приемных станциях по пути затмения в Боулдере, Колорадо, и Беар-Лейк, Юта. Они планируют объединить свои данные с наблюдениями нескольких космических миссий, в том числе геостационарного оперативного экологического спутника NOAA, обсерватории солнечной динамики НАСА и спектроскопического тепловизора высокой энергии Ramaty НАСА, чтобы охарактеризовать влияние солнечного излучения на эту конкретную область ионосферы..
Эриксон и команда будут смотреть дальше, в E- и F-области ионосферы. Используя более 6000 наземных датчиков GPS вместе с мощными радиолокационными системами в обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института и обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, а также данные нескольких космических миссий НАСА, команда из Массачусетского технологического института также будет работать с гражданскими учеными-радио, которые будут посылать радиосигналы туда и обратно на большие расстояния поперек пути.
Научная группа Массачусетского технологического института будет использовать свои данные для отслеживания перемещающихся ионосферных возмущений, которые иногда ответственны за модели космической погоды в верхних слоях атмосферы, и их крупномасштабных эффектов. Эти возмущения в ионосфере часто связаны с явлением, известным как атмосферные гравитационные волны, которые также могут быть вызваны затмениями.
«Мы можем даже увидеть эффекты глобального масштаба», - сказал Эриксон. «Магнитное поле Земли похоже на провод, соединяющий два разных полушария. Всякий раз, когда электрические колебания происходят в одном полушарии, они проявляются и в другом».
Эрл и его команда из Технологического института Вирджинии разместятся по всей стране в Бенде, штат Орегон; Холтон, Канзас; и база ВВС Шоу в Самтере, Южная Каролина. Используя современные приемопередающие инструменты, называемые ионозондами, они будут измерять высоту и плотность ионосферы и объединять свои измерения с данными общенациональной сети GPS и сигналами радиолюбительской сети обратного радиомаяка. Команда также будет использовать данные высокочастотных радаров SuperDARN, два из которых расположены вдоль траектории затмения в Кристмас-Вэлли, штат Орегон, и Хейсе, штат Канзас.
«Мы смотрим на нижнюю часть F-области и на то, как она меняется во время затмения», - сказал Эрл. «Это часть ионосферы, где изменения в распространении сигнала сильны». Их работа может однажды помочь смягчить помехи для распространения радиосигнала, которые могут повлиять на AM-радиовещание, любительское радио и сигналы GPS.
В конечном итоге ученые планируют использовать свои данные для улучшения моделей динамики ионосферы. С помощью этих беспрецедентных наборов данных они надеются улучшить наше понимание этого загадочного региона.
«Другие изучали затмения на протяжении многих лет, но с большим количеством инструментов мы продолжаем улучшать наши возможности для измерения ионосферы», - сказал Эриксон. «Обычно это раскрывает вопросы, которые мы и не думали задавать».