NASA’s Global-scale Observations of the Limb and Disk (GOLD)-missie heeft onverwachte C- en X-vormige formaties onthuld in een geëlektrificeerde gaslaag hoog boven ons hoofd, de ionosfeer.
Hoewel deze alfabetische vormen al eerder zijn waargenomen, ziet GOLD ze duidelijker dan andere instrumenten en vindt ze ze nu waar en wanneer wetenschappers het niet hadden verwacht. Hun verrassende verschijningen bewijzen dat we nog meer te leren hebben over de ionosfeer en de effecten ervan op communicatie- en navigatiesignalen die er doorheen gaan.
De ionosfeer, die zich zo’n 80 tot 650 kilometer boven de aarde uitstrekt, wordt overdag elektrisch geladen wanneer zonlicht op onze planeet valt en zijn energie elektronen van atomen en moleculen afstoot. Hierdoor ontstaat een soep van geladen deeltjes, bekend als plasma, waardoor radiosignalen over lange afstanden kunnen reizen.
In de buurt van de magnetische evenaar van de aarde worden geladen deeltjes langs magnetische veldlijnen naar boven en naar buiten geleid, waardoor twee dichte banden van deeltjes ten noorden en ten zuiden van de evenaar ontstaan die wetenschappers kammen noemen. Als de nacht valt en de energie van de zon afneemt, kunnen er in de ionosfeer zakken met een lage dichtheid in het plasma ontstaan, bellen genaamd. Vanwege hun variërende dichtheid kunnen de kammen en bellen de radio- en GPS-signalen verstoren.
Terwijl eerdere waarnemingen korte glimpen opleverden van kammen en bellen in de ionosfeer, houdt GOLD deze kenmerken gedurende langere perioden in de gaten. Dat is te danken aan zijn geostationaire baan, die in dezelfde snelheid rond onze planeet draait als de aarde draait, waardoor GOLD boven het westelijk halfrond kan zweven.
De ionosfeer is gevoelig voor verstoringen uit zowel de ruimte als het aardse weer. GOLD heeft eerder onthuld dat na een zonnestorm of een enorme vulkaanuitbarsting de kammen in de ionosfeer kunnen samensmelten en een X-vorm vormen. Maar nu heeft GOLD meerdere keren een X-vorm gezien toen er geen dergelijke verstoringen waren – wat wetenschappers ‘stille tijd’ noemen.
“Eerdere berichten over samensmelting waren er alleen tijdens geomagnetisch verstoorde omstandigheden – het is een onverwachte eigenschap tijdens geomagnetische rustige omstandigheden”, zegt Fazlul Laskar van het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica (LASP) van de Universiteit van Colorado, hoofdauteur van een artikel over deze ontdekking gepubliceerd in april 2024 door de Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Deze onverwachte verschijningen vertellen wetenschappers dat er iets anders betrokken moet zijn bij het vormen van deze X-vormen. Computermodellen suggereren dat de X zich zou kunnen ontwikkelen wanneer veranderingen in de lagere atmosfeer plasma naar beneden trekken.
“De X is vreemd omdat het impliceert dat er veel meer lokale drijvende factoren zijn”, zegt Jeffrey Klenzing, een wetenschapper bij NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die de ionosfeer bestudeert. “Dit wordt verwacht tijdens de extreme gebeurtenissen, maar het zien ervan tijdens ‘stille tijd’ suggereert dat de lagere activiteit in de atmosfeer de ionosferische structuur nadrukkelijk aanstuurt.”
GOLD heeft ook verrassende C-vormige plasmabellen gevonden die wijzen op andere raadselachtige dynamieken die de ionosfeer beïnvloeden.
De meeste plasmabellen lijken lang en recht en vormen zich langs magnetische veldlijnen. Maar sommige bellen zijn gebogen in C-vormen en omgekeerde C-vormen, waarvan wetenschappers denken dat ze gevormd worden door aardse winden. Computermodellen suggereren dat er een C-vorm ontstaat als de wind toeneemt met de hoogte op de magnetische evenaar, en dat er een omgekeerde C-vorm ontstaat als de wind afneemt met de hoogte.
“Het lijkt een beetje op een boom die groeit in een winderig gebied”, legt Klenzing uit. “Als de wind doorgaans uit het oosten komt, begint de boom te kantelen en in die richting te groeien.”
In een artikel dat in november 2023 in de Journal of Geophysical Research: Space Physics werd gepubliceerd, melden LASP-wetenschapper Deepak Karan en collega’s dat GOLD C-vormige en omgekeerde C-vormige plasmabellen heeft waargenomen die verrassend dicht bij elkaar verschenen – tot op een afstand van ongeveer 650 kilometer uit elkaar.
“Binnen die nabijheid waren deze twee tegengesteld gevormde plasmabellen nog nooit verwacht en nooit in beeld gebracht”, zegt Karan. Om windpatronen in zo’n klein gebied van koers te laten veranderen, denkt Karan dat er waarschijnlijk een soort sterke turbulentie – zoals een draaikolk, windschering of tornado-achtige activiteit – in de atmosfeer speelt.
“Het feit dat we heel verschillende vormen van bellen zo dicht bij elkaar hebben, vertelt ons dat de dynamiek van de atmosfeer complexer is dan we hadden verwacht,” zei Klenzing.
Deze nauwe combinaties lijken zeldzaam te zijn, met slechts twee gevallen die tot nu toe door GOLD zijn geregistreerd. Maar omdat deze functies cruciale communicatie- en navigatietechnologie kunnen verstoren, “is het erg belangrijk om erachter te komen waarom dit gebeurt”, zei Karan. “Als er een draaikolk of een zeer sterke schuifkracht in het plasma heeft plaatsgevonden, zal dit het plasma in dat gebied volledig vervormen. Bij zo’n sterke verstoring gaan de signalen volledig verloren.”
Wetenschappers hopen dat de voortdurende observaties van GOLD, gecombineerd met die van andere heliofysica-missies, kunnen helpen deze mysteries van de ionosfeer en hun effecten op ons leven te ontsluiten.