Ученые из НАСА и трех университетов представили новые открытия о том, как тепло и энергия перемещаются и проявляются в ионосфере, области атмосферы Земли, которая реагирует на изменения как из космоса вверху, так и с Земли внизу.
Далеко над поверхностью Земли, в разреженных верхних слоях атмосферы, находится море частиц, которые были разделены на положительные и отрицательные ионы жестким ультрафиолетовым излучением Солнца. Называемая ионосферой, это граница Земли с космосом, область, где нейтральная атмосфера Земли и земная погода уступают место космической среде, которая доминирует над большей частью остальной Вселенной, - среде, содержащей заряженные частицы и сложную систему электрических и магнитных полей. поля. Ионосфера формируется волнами из атмосферы внизу и уникальным образом реагирует на изменяющиеся условия в космосе, превращая такую космическую погоду в наблюдаемые, земные явления - создавая полярное сияние, прерывая сигналы связи и иногда вызывая проблемы со спутниками.
Многие из этих эффектов плохо изучены, поэтому ионосфера по большей части остается загадкой. Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, Католического университета Америки в Вашингтоне, округ Колумбия, Колорадского университета в Боулдере и Калифорнийского университета в Беркли представили новые результаты по ионосфере на осеннем собрании Американской геофизической службы. Union 14 декабря 2016 г. в Сан-Франциско.
Один исследователь объяснил, как взаимодействие между ионосферой и другим слоем атмосферы, термосферой, противодействует нагреву в термосфере - нагреву, который приводит к расширению верхних слоев атмосферы, что может вызвать преждевременный распад орбиты. Другой исследователь описал, как энергия за пределами ионосферы накапливается до тех пор, пока не разрядится - мало чем отличается от молнии, - предлагая объяснение того, как энергия космической погоды переходит в ионосферу. Третий ученый обсудил две предстоящие миссии НАСА, которые обеспечат ключевые наблюдения в этом регионе, помогая нам лучше понять, как ионосфера реагирует как на космическую, так и на земную погоду.
Изменения в ионосфере в первую очередь обусловлены активностью Солнца. Хотя на земле оно может казаться нам неизменным, на самом деле наше Солнце - очень динамичная, активная звезда. Наблюдение за солнцем в ультрафиолетовом диапазоне длин волн света из космоса - над нашей атмосферой, блокирующей ультрафиолетовый свет - показывает постоянную активность, включая вспышки света, частицы и магнитные поля.
Иногда Солнце испускает огромные облака частиц и магнитных полей, которые вырываются из Солнца со скоростью более миллиона миль в час. Их называют выбросами корональной массы или КВМ. Когда КВМ достигает Земли, встроенные в него магнитные поля могут взаимодействовать с естественным магнитным полем Земли, называемым магнитосферой, иногда сжимая его или даже заставляя его части перестраиваться.
Именно эта перестройка передает энергию в атмосферную систему Земли, запуская цепную реакцию смещения электрических и магнитных полей, которые могут разогнать частицы, уже пойманные вблизи Земли, разлетаться во всех направлениях. Затем эти частицы могут создать одно из самых узнаваемых и впечатляющих явлений космической погоды - полярное сияние, также известное как северное сияние.
Но передача энергии в атмосферу не всегда так безобидна. Он также может нагревать верхние слои атмосферы, где вращаются низкоорбитальные спутники, заставляя ее расширяться, как воздушный шар.
«Это увеличение означает, что на больших высотах находится больше материала, чем мы могли бы ожидать», - сказала Долорес Книпп, ученый-космонавт из Университета Колорадо в Боулдере.«Этот дополнительный материал может мешать спутникам, нарушая их орбиты и затрудняя их отслеживание».
Это явление называется спутниковым сопротивлением. Новые исследования показывают, что такое понимание реакции верхних слоев атмосферы на солнечные бури и, как следствие, сопротивление спутника может не всегда быть верным.
«Наше основное понимание заключалось в том, что геомагнитные бури передают энергию в земную систему, что приводит к набуханию термосферы, что может сбрасывать спутники на более низкие орбиты», - сказал Книпп, ведущий исследователь этих новых результатов. «Но так бывает не всегда».
Иногда энергия солнечных бурь может вызвать химическую реакцию, в результате которой в верхних слоях атмосферы образуется соединение, называемое оксидом азота. Оксид азота действует как охлаждающий агент на очень больших высотах, способствуя потере энергии в космос, поэтому значительное увеличение содержания этого соединения может вызвать явление, называемое переохлаждением..
«Переохлаждение приводит к тому, что атмосфера быстро теряет энергию от геомагнитной бури гораздо быстрее, чем ожидалось», - сказал Книпп. «Как будто термостат верхних слоев атмосферы застрял в положении «холодно».
Эта быстрая потеря энергии противодействует предыдущему расширению, вызывая коллапс верхних слоев атмосферы обратно вниз - иногда до даже меньшего состояния, чем оно было в начале, в результате чего спутники путешествуют через регионы с более низкой плотностью, чем ожидалось.
Новый анализ, проведенный Книпп и ее командой, классифицирует типы штормов, которые могут привести к переохлаждению и быстрому коллапсу верхних слоев атмосферы. Сравнивая более десяти лет измерений со спутников Министерства обороны и миссии НАСА «Термосфера, ионосфера, мезосфера, энергетика и динамика» или TIMED, исследователи смогли определить закономерности движения энергии в верхних слоях атмосферы.
«Переохлаждение, скорее всего, произойдет, когда очень быстрые и магнитно-организованные выбросы Солнца воздействуют на магнитное поле Земли», - сказал Книпп. «Медленные облака или плохо организованные облака не имеют такого же эффекта».
Это означает, что, вопреки здравому смыслу, самые мощные солнечные бури, скорее всего, обеспечат чистое охлаждение и сжатие верхних слоев атмосферы, а не нагревание и расширение, как предполагалось ранее.
С этим процессом охлаждения конкурирует нагрев, вызванный энергией солнечной бури, проникающей в атмосферу Земли. Хотя ученые знали, что энергия солнечного ветра в конечном итоге достигает ионосферы, они мало что понимали в том, где, когда и как происходит эта передача. Новые наблюдения показывают, что процесс носит локальный и импульсивный характер и отчасти зависит от состояния самой ионосферы.
Традиционно ученые считали, что путь энергии, движущейся по магнитосфере и атмосфере Земли, определяется характеристиками прилетающих частиц и магнитных полей солнечного ветра. другие эффекты, чем более быстрый, менее последовательный поток. Однако новые данные показывают, что путь движения энергии гораздо более тесно связан с механизмами, посредством которых связаны магнитосфера и ионосфера.
«Процесс передачи энергии оказывается очень похожим на то, как образуется молния во время грозы», - сказал Боб Робинсон, ученый-космонавт из NASA Goddard и Католического университета Америки.
Во время грозы нарастание разности электрических потенциалов, называемой напряжением, между облаком и землей приводит к внезапному и сильному разряду этой электрической энергии в виде молнии. Этот разряд может произойти только в том случае, если между облаком и землей существует электрически проводящая дорожка, называемая лидером.
Аналогичным образом солнечный ветер, падающий на магнитосферу, может создать разность потенциалов между различными областями ионосферы и магнитосферы. Между этими областями могут образовываться электрические токи, создавая проводящий путь, необходимый для того, чтобы накопленная электрическая энергия разрядилась в ионосферу в виде молнии.
«Земная молния возникает за несколько миллисекунд, в то время как магнитосферно-ионосферная «молния» длится несколько часов, а количество передаваемой энергии в сотни и тысячи раз больше», - сказал Робинсон, ведущий исследователь этих новых полученные результаты. Эти результаты основаны на данных глобальной спутниковой группировки Iridium.
Поскольку солнечные бури усиливают электрические токи, которые позволяют происходить этой магнитосферно-ионосферной молнии, этот тип передачи энергии гораздо более вероятен, когда магнитное поле Земли сталкивается с солнечным событием.
Огромный перенос энергии от этой магнитосферно-ионосферной молнии связан с нагревом ионосферы и верхних слоев атмосферы, а также усилением полярных сияний.
Глядя вперед
Хотя ученые добиваются успехов в понимании ключевых процессов, вызывающих изменения в ионосфере и, в свою очередь, на Земле, многое еще предстоит понять. В 2017 году НАСА запускает две миссии для исследования этого динамического региона: Исследователь ионосферных связей, или ICON, и Global Observations of the Limb and Disk, или GOLD.
«Ионосфера реагирует не только на энергию, поступающую от солнечных бурь», - сказал Скотт Ингланд, ученый-космонавт из Калифорнийского университета в Беркли, работающий над миссиями ICON и GOLD.«Земная погода, такая как ураганы и ветры, может формировать атмосферу и ионосферу, изменяя их реакцию на космическую погоду».
ICON будет одновременно измерять характеристики заряженных частиц в ионосфере и нейтральных частиц в атмосфере, в том числе формируемых земной погодой, чтобы понять, как они взаимодействуют. GOLD будет проводить многие из тех же измерений, но с геостационарной орбиты, что дает глобальное представление о том, как меняется ионосфера.
И ICON, и GOLD будут использовать явление, называемое свечением воздуха - свет, излучаемый газом, который возбуждается или ионизируется солнечным излучением - для изучения ионосферы. Измеряя свет свечения атмосферы, ученые могут отслеживать изменение состава, плотности и даже температуры частиц в ионосфере и нейтральной атмосфере.
ICON находится на высоте 350 миль над Землей, что позволит ему изучать атмосферу в профиль, давая ученым беспрецедентный взгляд на состояние ионосферы на разных высотах. Между тем, положение GOLD на высоте 22 000 миль над Землей даст ему возможность отслеживать изменения в ионосфере по мере их перемещения по земному шару, подобно тому, как метеорологический спутник отслеживает шторм..
«Мы будем использовать эти две миссии вместе, чтобы понять, как динамические погодные системы отражаются в верхних слоях атмосферы и как эти изменения влияют на ионосферу», - сказал Ингланд.