NASA Gold с высоты птичьего полета раскрывает загадочную динамику на границе Земли с космосом

Новый поиск с использованием данных из НАСАМиссия Global Extremity and Disc Observation, или GOLD, выявила неожиданное поведение в пространстве заряженных частиц, соединяющих экватор Земли — возможно, благодаря дальнему глобальному видению GOLD, первому в своем роде для этого типа. от измерения.

Золото находится на геостационарной орбите, что означает, что оно вращается вокруг Земли с той же скоростью, что и планета, и «парит» над той же точкой. Это позволяет GOLD видеть один и тот же регион для изменений во времени по долготе и широте, чего не могут сделать большинство спутников, изучающих верхние слои атмосферы.

«Поскольку GOLD находится на геостационарном спутнике, мы можем зафиксировать двухмерную временную эволюцию этой динамики», — сказал доктор Сюгуанг Цай, исследователь из высокогорной обсерватории в Боулдере, штат Колорадо, и ведущий автор новой исследовательской работы.

GOLD фокусируется на частях верхних слоев атмосферы Земли, которые простираются от 50 до 400 миль в высоту, включая нейтральный слой, называемый термосферой, и электрически заряженные частицы, составляющие ионосферу. В отличие от нейтральных частиц в большей части атмосферы Земли, заряженные частицы в ионосфере реагируют на электрические и магнитные поля, проходящие через атмосферу и околоземное пространство. Но поскольку заряженные и нейтральные частицы смешаны вместе, то, что влияет на одну популяцию, может влиять и на другую.

Миссия НАСА «ЗОЛОТО» — сокращение от «Наблюдения по шкале глобального кончика» и «диска» — зафиксировала внезапное асимметричное движение в одной из двойных полос заряженных частиц, которые формируются в атмосфере Земли ночью. Уникальная перспектива GOLD (справа) сделала это наблюдение возможным, потому что другие типы измерений, сделанные с помощью наземных инструментов (слева), не могут увидеть изменений в открытой воде. Красные точки показывают пик электронной полосы, измеренный наземными датчиками, измеряющими общее содержание электронов, в то время как черные точки показывают пик электронной полосы, измеренный GOLD. В конце визуализации измеренные пики появляются в разных местах. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

Это означает, что ионосфера и верхние слои атмосферы формируются под воздействием сложной комбинации факторов, включая условия космической погоды, такие как геомагнитные бури, вызванные солнцем, и земную погоду. Эти области также служат магистралью для многих наших сигналов для связи и навигации. Изменения плотности и состава ионосферы могут искажать проходящие через нее сигналы, такие как радио и GPS.

Со своего выгодного положения на коммерческом спутнике связи на геостационарной орбите GOLD проводит наблюдения ионосферы на уровне полушария примерно каждые 30 минут. Этот беспрецедентный взгляд дает ученым новое представление о том, как меняется этот регион.

таинственное движение

Одна из наиболее отличительных черт ночной ионосферы — двойные полосы плотно заряженных частиц по обе стороны от магнитного экватора Земли. Эти полосы, называемые аномалиями экваториальной ионизации, или EIA, могут изменяться по размеру, форме и интенсивности в зависимости от условий в ионосфере.

Полосы также могут перемещать свое положение. До сих пор ученые полагались на данные, полученные со спутников, проходящих через регион, и усредняли измерения за несколько месяцев, чтобы увидеть, как диапазоны могут измениться в долгосрочной перспективе. Но краткосрочные изменения отследить труднее.

До появления GOLD ученые подозревали, что любые быстрые изменения полос будут симметричными. Если северная полоса движется на север, то южная полоса движется в обратном направлении на юг. Однажды ночью в ноябре 2018 года GOLD увидел нечто, что бросило вызов этой идее: южная полоса частиц сместилась на юг, в то время как северная полоса оставалась неизменной — и все это менее чем за два часа.

Форма магнитного поля Земли (представленная оранжевыми линиями на этой визуализации данных) около экватора отталкивает заряженные частицы (синие) от экватора, создавая две плотные полосы к северу и югу от экватора, известные как экваториальная ионная аномалия. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

Это не первый раз, когда ученые наблюдают такое движение полос, но это более короткое событие — всего около двух часов по сравнению с более типичными двумя часами из шести-восьми часов, наблюдавшимися ранее, — было впервые замечено и могло только были замечены ЗОЛОТОМ. Примечания изложены в документе, опубликованном 29 декабря 2020 г. по адресу Журнал геофизических исследований: космическая физика.

Симметричный дрейф этих полос происходит из-за высоты воздуха, который увлекает за собой заряженные частицы. По мере того, как наступает ночь и становится прохладнее, поднимаются карманы более теплого воздуха. Заряженные частицы, переносимые в этих более теплых воздушных карманах, связаны линиями магнитного поля, а для этих карманов около магнитного экватора Земли форма магнитного поля Земли означает, что восходящее движение также толкает заряженные частицы в горизонтальном направлении. Это создает симметричный дрейф двух полос заряженных частиц с севера на юг.

Точная причина асимметричной аберрации, наблюдаемой GOLD, остается загадкой — хотя Кай подозревает, что ответ кроется в сочетании многих факторов, которые формируют движение электронов в ионосфере: текущие химические реакции, электрические поля и высокогорные ветры. в регионе.

Однако удивительно, что эти открытия могут помочь ученым заглянуть за занавес ионосферы и лучше понять, что движет ее изменениями. Поскольку невозможно контролировать каждый процесс с помощью спутникового или наземного датчика, ученые в значительной степени полагаются на компьютерные модели для изучения ионосферы, например, те, которые помогают метеорологам предсказывать погоду на Земле. Чтобы создать эту симуляцию, ученые кодируют то, что, как они подозревают, является основной физикой в ​​работе, и сравнивают предсказание модели с наблюдаемыми данными.

До GOLD ученые получали эти данные от случайных транзитных спутников и ограниченных наземных наблюдений. Теперь GOLD дает ученым исчерпывающий обзор.

Ссылка: «Наблюдение за увеличением излучения OI 135,6 нм после заката над Южной Америкой с помощью золотой экспедиции» Сюйгуан Цай, Алан Г. Бернс, Вэньбинь Ван, Лиин Цянь, Цзин Лю, Стэнли С. Соломон, Ричард В. Истес, Роберт Э. Даниэль, Карлос Р. Мартинс, Уильям Э. МакКлинток и Инес С. Батиста, 29 декабря 202 г., доступно здесь. Журнал геофизических исследований: космическая физика.
DOI: 10.1029 / 2020JA028108