מהפכות בהבנת היונוספירה, ממשק כדור הארץ לחלל

שיעור פתיחה מהפכות (יולי 2019).

Anonim

מדענים של נאס"א ושלוש אוניברסיטאות הציגו תגליות חדשות על האופן שבו החום והאנרגיה נעים ומניפסטים ביונוספירה, אזור של האטמוספרה של כדור הארץ המגיב לשינויים משני החללים מעל וכדור הארץ למטה.

הרחק מעל פני כדור הארץ, בתוך האטמוספירה העליונה הרזה, הוא ים של חלקיקים שחולקו ליונים חיוביים ושליליים על ידי קרינת השמש האולטרה סגולה. קראו ליונוספירה, זהו הממשק של כדור הארץ לחלל, האזור שבו האטמוספירה הנייטרלית של כדור הארץ ומזג האוויר הארצי מפנים את מקומם לסביבת החלל השולטת ברוב חלקי היקום - סביבה המארחת חלקיקים טעונים ומערכת מורכבת של חשמל ומגנטי שדות. היוניוספירה מעוצבת על ידי גלים מהאווירה שמתחת ומתאימה באופן ייחודי לתנאים המשתנים בחלל, ומביאה את מזג האוויר לחלל לתופעות נצפות ואפקטיביות בכדור הארץ - יצירת אורורה, שיבוש אותות תקשורת ולעתים אף גורם לבעיות לוויין.

רבים מן ההשפעות הללו אינם מובנים היטב, עוזב את יונוספירה, על פי רוב, אזור של מסתורין. מדענים ממרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד, האוניברסיטה הקתולית של אמריקה בוושינגטון הבירה, אוניברסיטת קולורדו בולדר ואוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הציגו תוצאות חדשות על היונוספירה במפגש הסתיו של הגיאופיזי האמריקאי האיחוד ב 14 דצמבר 2016, בסן פרנסיסקו.

חוקר אחד הסביר כיצד האינטראקציה בין היונוספירה לבין שכבה נוספת באטמוספירה, התרמוספירה, חימום נגד חימום בחום תרמוספירה, שמוביל להתרחבות של האטמוספירה העליונה, מה שעלול לגרום לריקבון מוקדמות. חוקר אחר תיאר כיצד האנרגיה מחוץ ליונוספירה מצטברת עד שהיא מתרוקנת - לא כמו ברק - ומציעה הסבר כיצד האנרגיה ממזג האוויר חולפת אל תוך היונוספירה. מדען שלישי דן בשתי משימות נאס"א עתידיות שיספקו תצפיות מרכזיות באזור זה ויעזרו לנו להבין טוב יותר כיצד מגיבה היונוספירה הן למזג האוויר והן למזג האוויר הארצי.

השינויים ביונוספירה מונעים בעיקר על ידי פעילות השמש. למרות שזה עשוי להיראות בלתי משתנה לנו על הקרקע, השמש שלנו היא, למעשה, כוכב דינמי מאוד, פעיל. צפייה בשמש באורכי גל אולטרא סגול של אור מהחלל - מעל האווירה שלנו חוסמת אור UV - מגלה פעילות מתמדת, כולל התפרצויות של אור, חלקיקים ושדות מגנטיים.

מדי פעם, השמש משחררת עננים ענקיים של חלקיקים ושדות מגנטיים המתפוצצים מהשמש ביותר ממילין לשעה. אלה נקראים פליטות המונית העטרה, או CME. כאשר CME מגיע לכדור הארץ, השדות המגנטיים המשולבים שלו יכולים לקיים אינטראקציה עם השדה המגנטי הטבעי של כדור הארץ - הנקרא המגנטו-ספירה - לפעמים לדחוס אותו או אפילו לגרום לחלקים ממנו להתהפך.

זה reignignment זה מעביר אנרגיה לתוך האטמוספירה של כדור הארץ המערכת, על ידי הגדרת תגובה שרשרת של העברת שדות חשמליים ומגנטיים שיכולים לשלוח את החלקיקים כבר לכודים ליד כדור הארץ מתנדנד לכל הכיוונים. חלקיקים אלה יכולים ליצור את אחד האירועים המזוהים ביותר ומעוררי ההשראה בחלל החלל - אורורה, הידוע גם בשם אורות הצפון.

אבל העברת האנרגיה לאטמוספרה אינה תמיד כה מזיקה. הוא יכול גם לחמם את האטמוספירה העליונה - שם מסלול לווייני כדור הארץ נמוך - גורם לו להתרחב כמו בלון אוויר חם.

"הנפיחות הזאת פירושה שיש יותר דברים בגבהים גבוהים יותר מכפי שהיינו מצפים אחרת", אמר דלורס קניפ, מדען שטח באוניברסיטת קולורדו בולדר. "זה חומר נוסף יכול לגרור על לוויינים, לשבש את המסלולים שלהם ולהפוך אותם קשה יותר לעקוב."

תופעה זו נקראת גרור הלוויין. מחקרים חדשים מראים כי הבנה זו של תגובת האטמוספירה העליונה לסופות סולאריות - וגרר הלוויין שנוצר - לא תמיד נכונה.

"ההבנה הבסיסית שלנו היא כי סופות geomagnetic לשים אנרגיה לתוך כדור הארץ המערכת, אשר מוביל נפיחות של תרמוספירה, אשר יכול למשוך לוויינים אל מסלולים נמוכים", אמר קניפ, חוקר להוביל על תוצאות חדשות אלה. "אבל זה לא תמיד כך".

לפעמים, את האנרגיה של סופות השמש יכול להפעיל תגובה כימית המייצרת תרכובת בשם תחמוצת החנקן באטמוספירה העליונה. תחמוצת החנקן פועלת כסוכן קירור בגבהים גבוהים מאוד, מקדמת אובדן אנרגיה לחלל, ולכן עלייה משמעותית במתחם זה עלולה לגרום לתופעה הקרויה overcooling.

"הצפיפות גורמת לאטמוספירה לשפוך במהירות אנרגיה מהסערה הגיאומגנטית הרבה יותר מהר מהצפוי", אמר קניפ. "זה כמו תרמוסטט עבור האווירה העליונה נתקעה על הגדרת" מגניב ".

אובדן האנרגיה המהיר הזה מגביל את ההתרחבות הקודמת, מה שגורם לאטמוספירה העליונה להתמוטט בחזרה - לפעמים למצב קטן עוד יותר ממה שהיא התחילה, והותיר לוויינים שנסעו באזורי צפיפות נמוכה מהצפוי.

ניתוח חדש של קניפ והצוות שלה מסווג את סוגי הסערות העלולות להוביל להתרסקות יתר זו ולהתמוטטות האווירה העליונה המהירה. על-ידי השוואה של למעלה מעשור של מדידות של לוויני משרד ההגנה והתרמוספרה של נאס"א, יונוספרה, אנספרגיות אנרגטיות ודינמיות, או TIMED, הצליחו החוקרים לזהות דפוסים באנרגיה הנעים בכל האטמוספירה העליונה.

"צפיפות יתר צפויה להתרחש כאשר פליטה מהירה מאוד מאורגנת מגנטית מהשמש טרטר השדה המגנטי של כדור הארץ, " אמר קניפ. "לעננים איטיים או לעננים מסודרים לא בדיוק יש את אותו אפקט".

משמעות הדבר היא, שלעתים קרובות, הסופות הסולריות האנרגטיות ביותר עשויות לספק אפקט קירור ומתכווצות נטו באטמוספירה העליונה, במקום חימום והרחבה כפי שהובנו קודם לכן.

מתחרה עם תהליך זה הקירור הוא החימום שנגרם על ידי אנרגיה סערה סולארית עושה את דרכה אל האטמוספירה של כדור הארץ. למרות שמדענים ידעו שאנרגיית הרוח הסולארית מגיעה בסופו של דבר ליונוספירה, הם הבינו מעט מאוד היכן, מתי וכיצד מתרחשת ההעברה. תצפיות חדשות מראות כי התהליך הוא מקומי ו אימפולסיבי, ובחלקו תלוי במצב של יונוספירה עצמה.

באופן מסורתי, מדענים חשבו שהדרך שבה האנרגיה נעה בכל רחבי המגנטוספירה של כדור הארץ והאווירה נקבעת על פי המאפיינים של החלקיקים הנכנסים והשדות המגנטיים של הרוח הסולארית - למשל, זרם ארוך ויציב של חלקיקים סולאריים יפיק השפעות שונות מאשר מהיר יותר, זרם פחות עקבי. עם זאת, נתונים חדשים מראים כי הדרך בה תנועות האנרגיה קשורה הרבה יותר למנגנונים שבאמצעותם המגנטוספירה והיונוספירה מקושרים.

"תהליך העברת האנרגיה מתגלה כדרך דומה לזו של ברק במהלך סופת רעמים", אמר בוב רובינסון, מדען שטח בגודארד של נאס"א והאוניברסיטה הקתולית של אמריקה.

במהלך סופת רעמים, הצטברות של הפרש חשמלי פוטנציאלי - מתח שנקרא - בין ענן לבין הקרקע מוביל להפסקה פתאומית ואלימה של אנרגיה חשמלית זו בצורה של ברק. פריקה זו יכולה לקרות רק אם יש מסלול מוליך חשמלית בין הענן לבין הקרקע, המכונה מנהיג.

באופן דומה, רוח השמש מכה את המגנטוספירה יכולה לבנות הבדל מתח בין אזורים שונים של היונוספירה לבין המגנטוספירה. זרמים חשמליים יכולים להיווצר בין אזורים אלה, ויוצרים את נתיב ההליכה הדרוש לאנרגיה החשמלית הבנויה הזו כדי להיגרר לתוך היונוספירה כמין ברקים.

"ברקים יבשתיים נמשכים כמה מילי-שניות, בעוד ש"ברק" יונק זה נמשך מספר שעות - וכמות האנרגיה המועברת גדולה פי מאות או יותר ", אמר רובינסון, חוקר בכיר בתוצאות החדשות. תוצאות אלו מבוססות על נתונים ממגוון התקשורת לווייני אירידיום העולמית.

מכיוון שהסערות הסולאריות משפרות את הזרמים החשמליים שמאפשרים לקלוט את הבונוס המגנוטופרי-יונוספרי, סוג זה של העברת אנרגיה הוא הרבה יותר סביר כאשר השדה המגנטי של כדור הארץ נדחף על ידי אירוע סולארי.

העברת האנרגיה הענקית מברק מגנוספירה-יונוספרי זה קשורה לחימום של היונוספירה והאווירה העליונה, כמו גם אורורה מוגברת.

מצפה

אף על פי שהמדענים מתקדמים בהבנת תהליכים מרכזיים המניעים שינויים ביונוספירה, ובתורה, על כדור הארץ, עדיין יש הרבה מה להבין. בשנת 2017, נאס"א משיקה שתי משימות לחקור אזור דינמי זה: חיבור Ionospheric Explorer, או ICON, ותצפיות גלובליות של האיבר והדיסק, או GOLD.

"האונוספירה לא רק מגיבה לקליטת אנרגיה על ידי סופות סולאריות", אמר סקוט אנגליה, מדען חלל מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שעובד גם במשימות ICON ו- GOLD. "מזג אוויר יבשתי, כמו הוריקנים ודפוסי רוח, יכול לעצב את האווירה ואת היונוספירה, לשנות את האופן שבו הם מגיבים למזג האוויר בחלל".

אייקון ימדוד בו זמנית את המאפיינים של חלקיקים טעונים ביונוספירה וחלקיקים נייטרליים באטמוספירה - כולל אלה שעוצבו על ידי מזג האוויר הארצי - כדי להבין כיצד הם פועלים. זהב ייקח רבים של מדידות אותו, אבל ממסלול geostationary, אשר נותן תצוגה גלובלית של איך יונוספירה השינויים.

הן ICON והן GOLD ינצלו תופעה הנקראת Airglow - האור הנפלט מגז הנרגש או מיונן על ידי קרינת השמש - כדי לחקור את היונוספירה. על ידי מדידת האור מן האוויר, המדענים יכולים לעקוב אחר הרכב משתנה, צפיפות, ואפילו טמפרטורה של חלקיקים יונוספירה ואווירה ניטרלית.

המיקום של אייקון 350 ק"מ מעל כדור הארץ יאפשר לו ללמוד את האווירה בפרופיל, נותן למדענים מבט חסר תקדים על מצב של יונוספירה בטווח של גבהים. בינתיים, המיקום של גולד 22, 000 ק"מ מעל כדור הארץ ייתן לו את ההזדמנות כדי לעקוב אחר השינויים יונוספירה כפי שהם נעים ברחבי העולם, בדומה איך מזג האוויר לוויין עוקב אחר סערה.

"נשתמש בשתי המשימות הללו יחד כדי להבין כיצד מערכות מזג אוויר דינמיות משתקפות באטמוספירה העליונה, וכיצד השינויים האלה משפיעים על היונוספירה", אמרה אנגליה.

menu
menu