Die NASA-Mission GOLD (Global-scale Observations of the Limb and Disk) hat unerwartete C- und X-förmige Formationen in der elektrifizierten Gasschicht, aus der die Ionosphäre besteht, entdeckt.
Obwohl diese alphabetischen Formen schon früher beobachtet wurden, sieht GOLD sie deutlicher als andere Instrumente und findet sie nun dort, wo und wann die Wissenschaftler es nicht erwartet hatten. Ihre überraschenden Auftritte zeigen, dass wir noch mehr über die Ionosphäre und ihre Auswirkungen auf die Kommunikations- und Navigationssignale, die sie passieren, lernen müssen.
Die Ionosphäre, die sich zwischen 80 und 640 Kilometer über unserem Planeten erstreckt, lädt sich tagsüber elektrisch auf, wenn Sonnenlicht auf unseren Planeten trifft und seine Energie Elektronen aus Atomen und Molekülen herausreißt. Dadurch entsteht eine Suppe aus geladenen Teilchen, das sogenannte Plasma, das es Radiosignalen ermöglicht, große Entfernungen zu übertragen.
In der Nähe des magnetischen Äquators der Erde strömen geladene Teilchen entlang der magnetischen Feldlinien nach oben und außen und bilden nördlich und südlich des Äquators zwei dichte Teilchenbänder, die Wissenschaftler Grate nennen. Wenn die Nacht hereinbricht und die Sonnenenergie nachlässt, können sich in der Ionosphäre Taschen aus Plasma geringer Dichte, 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 auf seine geostationäre Umlaufbahn zurückzuführen, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde um unseren Planeten dreht und es GOLD ermöglicht, über der westlichen Hemisphäre zu schweben.
Die Ionosphäre reagiert empfindlich auf Störungen sowohl aus dem Weltraum als auch aus dem Erdklima. GOLD hat zuvor gezeigt, dass die Rücken der Ionosphäre nach einem Sonnensturm oder einem großen Vulkanausbruch zu einer X-Form verschmelzen können. Doch jetzt hat GOLD mehrfach beobachtet, wie sich eine X-Form bildete, als es keine derartigen Störungen gab, wie Wissenschaftler es nennen “ruhige Zeit.”
„Frühere Berichte über Fusionen traten nur bei geomagnetisch gestörten Bedingungen auf; es 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 leitende Forscher ein Hauptautor eines Artikels zu dieser Entdeckung, veröffentlicht im Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Diese unerwarteten Erscheinungen sagen den Wissenschaftlern, dass etwas anderes an der Bildung dieser X-Formen beteiligt sein muss. Computermodelle deuten darauf hin, dass sich das X entwickeln könnte, wenn Veränderungen in der unteren Atmosphäre Plasma nach unten drücken.
„Das X ist seltsam, weil es impliziert, dass es viel mehr lokalisierte Treiber gibt“, sagte Jeffrey Klenzing, ein Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA, der die Ionosphäre untersucht. „Dies wird bei extremen Ereignissen erwartet, aber wenn man es in ‚ruhigen Zeiten‘ beobachtet, deutet dies darauf hin, dass die Aktivität in der unteren Atmosphäre die Struktur der Ionosphäre maßgeblich beeinflusst.“
C-FÖRMIGE BLASEN weisen auf starke Turbulenzen hin
GOLD hat auch überraschende C-förmige Plasmablasen entdeckt, 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, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie durch die Winde der Erde gebildet werden. Computermodelle deuten darauf hin, dass sich eine C-Form bildet, wenn der Wind mit der Höhe am magnetischen Äquator zunimmt, und eine umgekehrte C-Form, wenn der Wind mit der Höhe abnimmt.
„Es ist ein bisschen wie ein Baum, der in einer windigen Gegend wächst“, erklärt Klenzing. „Wenn der Wind normalerweise nach Osten weht, neigt sich der Baum und wächst in diese Richtung.“
In einem im November 2023 im Journal of Geophysical Research: Space Physics veröffentlichten Artikel berichten der LASP-Wissenschaftler Deepak Karan und seine Kollegen, dass GOLD C-förmige und umgekehrt C-förmige Plasmablasen beobachtet hat, die überraschend nahe beieinander erscheinen, bis zu einer Entfernung von etwa 600 Kilometern weg.
„An diese beiden gegensätzlich geformten Plasmablasen in dieser Nähe hatte man nie gedacht und sie wurden nie fotografiert“, sagte Karan. Damit die Windmuster in einem so kleinen Gebiet ihren Kurs ändern, ist Karan davon überzeugt, dass wahrscheinlich eine Form starker Turbulenz, etwa ein Wirbel, eine Windscherung oder eine tornadoartige Aktivität, in der Atmosphäre vorliegt.
„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 Paarungen scheinen selten zu sein; GOLD hat bisher nur zwei Fälle registriert. Da diese Funktionen jedoch wichtige Kommunikations- und Navigationstechnologien stören können, „ist es sehr wichtig herauszufinden, warum dies geschieht“, sagte Karan. „Wenn im Plasma ein sehr starker Wirbel oder eine starke Scherung aufgetreten ist, wird das Plasma in diesem Bereich vollständig verzerrt. Bei einer solchen starken Störung gehen die Signale vollständig verloren.“
