Die GOLD-Mission der NASA entdeckt überraschende C- und X-Formen in der Atmosphäre

Wer hätte gedacht, dass die obere Erdatmosphäre ein Stapel Briefe ist? Die NASA-Mission „Global-scale Observations of the Limb and Disk“ (GOLD) hat unerwartete C- und X-förmige Formationen in einer elektrifizierten Gasschicht weit über uns, der Ionosphäre, entdeckt.

Obwohl diese alphabetischen Formen schon früher beobachtet wurden, sieht GOLD sie deutlicher als andere Instrumente und findet sie jetzt dort, wo und wann Wissenschaftler sie nicht erwartet hatten. Ihr überraschendes Auftauchen beweist, dass wir noch viel über die Ionosphäre und ihre Auswirkungen auf die durch sie hindurchgehenden Kommunikations- und Navigationssignale lernen müssen.

Die dynamische Schnittstelle der Erde zum Weltraum

Die Ionosphäre erstreckt sich zwischen 50 und 400 Meilen über uns und lädt sich tagsüber elektrisch auf, wenn Sonnenlicht auf unseren Planeten trifft und seine Energie Elektronen aus Atomen und Molekülen herausschlägt. Dadurch entsteht eine Suppe aus geladenen Teilchen, genannt Plasma, die es Radiosignalen ermöglicht, große Entfernungen zu übertragen.

In der Nähe des magnetischen Äquators der Erde werden geladene Teilchen entlang magnetischer Feldlinien nach oben und außen gelenkt, wodurch nördlich und südlich des Äquators zwei dichte Teilchenbänder entstehen, die Wissenschaftler Grate nennen. Wenn die Nacht hereinbricht und die Sonnenenergie nachlässt, können sich in der Ionosphäre Taschen geringer Dichte im Plasma, sogenannte Blasen, bilden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte können Grate und Blasen Funk- und GPS-Signale stören.

Während frühere Beobachtungen kurze Einblicke in Grate und Blasen in der Ionosphäre ermöglichten, überwacht GOLD diese Merkmale über lange Zeiträume. Dies ist seiner geostationären Umlaufbahn zu verdanken, die unseren Planeten mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde umkreist und es GOLD ermöglicht, über die westliche Hemisphäre zu fliegen.

Unerwartete X-förmige Grate bei ruhigen Bedingungen

Die Ionosphäre reagiert empfindlich auf Weltraum- und terrestrische Wetterstörungen. GOLD hat zuvor gezeigt, dass Rücken in der Ionosphäre nach einem Sonnensturm oder einem großen Vulkanausbruch zu einer X-Form verschmelzen können. Doch jetzt hat GOLD festgestellt, dass es keine derartigen Störungen gab – was Wissenschaftler als „Ruheperiode“ bezeichnen.

„Frühe Berichte über Fusionen gab es nur unter geomagnetisch gestörten Bedingungen – das ist ein unerwartetes Phänomen bei ruhigen geomagnetischen Bedingungen“, sagte Fazlul Laskar vom Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) an der University of Colorado, der Hauptautor von ein Artikel. über diese Entdeckung veröffentlicht in der Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik.

Diese unerwarteten Erscheinungen sagen den Wissenschaftlern, dass etwas anderes an der Bildung dieser X-förmigen Formen beteiligt sein muss. Computermodelle legen nahe, dass das X entstehen könnte, wenn Veränderungen in der unteren Atmosphäre das Plasma nach unten ziehen.

“Der „Dies wird bei extremen Ereignissen erwartet, aber wenn man es während einer ‚ruhigen Zeit‘ beobachtet, deutet dies darauf hin, dass die Aktivität in der unteren Atmosphäre die Struktur der Ionosphäre maßgeblich bestimmt.“

C-förmige Blasen weisen auf starke Turbulenzen hin

GOLD entdeckte außerdem überraschende C-förmige Plasmablasen, die auf andere rätselhafte Dynamiken hinweisen, die die Ionosphäre beeinflussen.

Die meisten Plasmablasen erscheinen lang und gerade und bilden sich entlang magnetischer Feldlinien. Einige Blasen haben jedoch die Form eines C oder eines umgekehrten C, was Wissenschaftlern zufolge durch die Winde der Erde geformt wird. Computermodelle deuten darauf hin, dass sich eine C-Form bildet, wenn der Wind mit der Höhe am magnetischen Äquator zunimmt, und ein umgekehrtes C, wenn der Wind mit der Höhe abnimmt.

„Es ist ein bisschen wie ein Baum, der in einer windigen Gegend wächst“, sagt Klenzing. „Wenn der Wind generell aus Osten weht, beginnt sich der Baum zu neigen und in diese Richtung zu wachsen.“

In einem im November 2023 in der veröffentlichten Artikel Zeitschrift für geophysikalische Forschung: WeltraumphysikDer LASP-Wissenschaftler Deepak Karan und Kollegen berichten, dass GOLD C- und umgekehrt C-förmige Plasmablasen beobachtete, die überraschend nahe beieinander auftraten, etwa 400 Meilen voneinander entfernt (ungefähr die Entfernung zwischen Baltimore und Boston).

„Niemals hätte man sich vorstellen können, dass diese beiden Plasmablasen mit unterschiedlichen Formen so nahe beieinander liegen oder fotografiert wurden“, sagte Karan. Damit Windmuster in einem so kleinen Gebiet ihre Richtung ändern, vermutet Karan, dass wahrscheinlich eine Art starke Turbulenz – wie ein Wirbel, eine Windscherung oder eine tornadoähnliche Aktivität – in der Atmosphäre im Spiel ist.

„Die Tatsache, dass wir so nahe beieinander sehr unterschiedliche Blasenformen haben, zeigt uns, dass die Dynamik der Atmosphäre komplexer ist als erwartet“, sagte Klenzing.

Diese engen Paare scheinen selten zu sein, GOLD hat bisher nur zwei Fälle registriert. Da diese Funktionen jedoch wichtige Kommunikations- und Navigationstechnologien stören können, „ist es wirklich wichtig herauszufinden, warum dies geschieht“, sagte Karan. „Wenn ein Wirbel oder eine sehr starke Scherung im Plasma auftritt, wird das Plasma in diesem Bereich vollständig verzerrt. Bei einer solchen starken Störung gehen die Signale vollständig verloren.“

Wissenschaftler hoffen, dass die fortgesetzten Beobachtungen von GOLD in Kombination mit denen anderer heliophysikalischer Missionen dazu beitragen können, die Geheimnisse der Ionosphäre und ihre Auswirkungen auf unser Leben zu entschlüsseln.