L’icona della NASA ha scoperto che i forti venti attivano i campi elettrici nell’atmosfera superiore

Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

Ciò che accade a terra non rimane a terra.


Utilizzando le osservazioni della missione ICON della NASA, gli scienziati hanno fornito le prime misurazioni dirette della dinamo lunga teorica della Terra ai margini dello spazio: Vento-muovilo Generatore che si estende sul globo a più di 60 miglia sopra le nostre teste. Dinamo ionosfera, il confine elettricamente carico tra la Terra e lo spazio. È alimentato dai venti di marea in atmosfera superiore Che sono più veloci della maggior parte degli uragani e salgono dal basso Atmosfera, creando un ambiente elettrico che potrebbe influenzare i satelliti e la tecnologia sulla Terra.

Nuovo lavoro, pubblicato oggi su scienze naturali della terra, migliora la nostra comprensione della ionosfera, aiutando gli scienziati a prevedere meglio il clima spaziale e a proteggere la nostra tecnologia dai suoi effetti.

Lanciato nel 2019, ICON, abbreviazione di Ionospheric Connection Explorer, ha il compito di disaccoppiare il modo in cui il tempo della Terra interagisce con il tempo nello spazio. I segnali radio e GPS viaggiano attraverso la ionosfera, che ospita l’aurora boreale e la Stazione Spaziale Internazionale. Sacche vuote o densi rigonfiamenti di particelle caricate elettricamente possono disturbare questi segnali.

Gli scienziati che studiano l’atmosfera e la meteorologia spaziale hanno da tempo incluso la dinamo terrestre nei loro modelli perché sapevano che aveva effetti importanti. Ma con così poche informazioni, hanno dovuto fare alcune ipotesi su come avrebbe funzionato. I dati di ICON sono la prima osservazione concreta dei venti che alimentano la dinamo e che in definitiva influenzano il tempo spaziale, per alimentare quei modelli.

“Il primo anno di ICON nello spazio ha dimostrato che la previsione di questi venti è la chiave per migliorare la nostra capacità di prevedere cosa succede nella ionosfera”, ha affermato Thomas Emile, ricercatore principale di ICON presso l’Università della California, Berkeley, e autore principale del nuovo studio.

Nella ionosfera, i venti in aumento tendono a spingere su particelle cariche più grosse rispetto a piccoli elettroni caricati negativamente. Questa separazione di ioni ed elettroni crea un campo elettrico nella regione della dinamo, vicino al fondo della ionosfera. Credito: Animazione Concept Lab della NASA

La nascita del paradiso sulla terra

La ionosfera è come un mare di particelle cariche elettricamente, create dal Sole e mescolate con l’atmosfera superiore neutra. Situata tra la Terra e lo spazio, la ionosfera risponde ai cambiamenti sia dal Sole sopra che dalla Terra sotto. Quanta influenza proviene da ciascuna parte è ciò che i ricercatori sono interessati a scoprire. Studiando i dati ICON per un anno, i ricercatori hanno scoperto che gran parte del cambiamento che hanno osservato ha avuto origine nella bassa atmosfera.

I generatori funzionano spostando ripetutamente un conduttore elettrico, come un filo di rame, attraverso un campo magnetico. Ripiena di gas caricati elettricamente chiamati plasma, la ionosfera agisce come un filo, o meglio, un groviglio di fili: l’elettricità scorre attraverso di essa. Come la dinamo nel nucleo terrestre, le dinamo nell’atmosfera producono campi elettromagnetici di movimento.

I forti venti nella termosfera, uno strato dell’atmosfera superiore noto per le alte temperature, spingono il plasma che trasporta corrente nella ionosfera attraverso linee di campo magnetico invisibili che orbitano attorno alla Terra come cipolle. Il vento tende a comprimere le particelle grossolane con carica positiva più dei piccoli elettroni con carica negativa. “I positivi si muovono in modo diverso rispetto ai negativi”, ha detto il co-autore Brian Harding, un fisico dell’Università della California, Berkeley. “Questa è una corrente elettrica.”

Sulla maggior parte dei generatori, questi componenti sono collegati così strettamente da rimanere in posizione e funzionare in modo prevedibile. Ma la ionosfera è libera di muoversi a suo piacimento. “La corrente genera il proprio campo magnetico, che combatte il campo magnetico terrestre mentre passa”, ha detto Emil. “Quindi ti ritrovi con un cavo che cerca di allontanarsi da te. È un generatore disordinato.”

Questa visualizzazione dei dati mostra l’astronave con il simbolo in orbita attorno alla Terra. Le frecce verdi mostrano i forti venti d’alta quota – noti come maree atmosferiche – rilevati dall’imager del vento MIGHTI di ICON. Questi venti non sono uniformi e possono essere alterati dai cambiamenti nell’atmosfera a bassa quota. Questo a sua volta altera il movimento delle particelle alte nella ionosfera. I cambiamenti nel plasma sono stati rilevati a 370 miglia sopra la superficie terrestre da ICON, come mostrato in rosso. Le linee del campo magnetico appaiono viola e diventano gialle poiché le misurazioni del vento rilevate da MIGHTI (frecce verdi) influenzano la direzione del plasma (frecce rosse). Credito: NASA Scientific Visualization Studio/William T. Bridgeman

Seguire i capricci della ionosfera è la chiave per prevedere i potenziali effetti della meteorologia spaziale. A seconda del modo in cui soffia il vento, il plasma nella ionosfera viene espulso nello spazio o precipitato verso la Terra. Questo comportamento deriva da un tiro alla fune tra la ionosfera ei campi elettromagnetici della Terra.

La dinamo, che si trova all’estremità inferiore della ionosfera, è stata a lungo un mistero perché è difficile da osservare. Così in alto per i dirigibili scientifici e così in basso per i satelliti, hanno eluso molti degli strumenti che i ricercatori hanno per studiare lo spazio vicino alla Terra. ICON è equipaggiato in modo unico per esaminare questa parte della ionosfera dall’alto sfruttando il bagliore naturale dell’alta atmosfera per rilevare il movimento del plasma.

ICON monitora contemporaneamente i venti forti e il plasma migratorio. “Questa è stata la prima volta che siamo stati in grado di quantificare il contributo del vento al comportamento della ionosfera, senza alcuna ipotesi”, ha affermato Astrid Maut, un altro coautore dello studio e scienziato ICON presso il National Center for Atmospheric Research di Boulder, in Colorado. .

È solo nell’ultimo decennio circa, ha detto Emile, che gli scienziati si sono resi conto di quanto siano diversi questi venti in aumento. “Non ci si aspettava che l’atmosfera superiore cambiasse così rapidamente”, ha detto. “Ma lo fa giorno dopo giorno. Scopriamo che è tutto dovuto ai cambiamenti nella bassa atmosfera”.

I cicli giornalieri di formazione delle nuvole immettono energia nell’atmosfera che a sua volta crea un ciclo giornaliero di riscaldamento e raffreddamento. Il riscaldamento e il raffreddamento spingono i modelli del vento verso l’esterno e verso le aree in cui si stanno formando le nuvole. Questi venti alla fine formano un’onda di marea atmosferica che si diffonde attraverso l’atmosfera. Credito: Animazione Concept Lab della NASA

forza del vento

È comune per i venti che sfiorano la superficie terrestre, da brezze leggere a tempeste che soffiano in una direzione e poi nell’altra.

I venti dell’altopiano sono una bestia diversa. Da 60 a 95 miglia sopra la superficie terrestre, nella termosfera inferiore, i venti possono soffiare nella stessa direzione alla stessa velocità – circa 250 miglia all’ora – per alcune ore alla volta prima di invertire improvvisamente in quella direzione. (Per fare un confronto, gli uragani di categoria 5 più forti soffiano a 157 mph o più.)

Questi cambiamenti drammatici sono il risultato di onde d’aria, chiamate maree, generate sulla superficie terrestre quando la bassa atmosfera si riscalda durante il giorno e poi si raffredda di notte. Si alzano nel cielo ogni giorno, portando cambiamenti dal basso.

Più l’atmosfera si allontana dalla superficie, più diventa sottile e meno turbolenta, interrompendo questi movimenti. Ciò significa che le piccole maree generate vicino alla superficie possono diventare più grandi quando raggiungono l’alta atmosfera. “I cambiamenti nei venti sono per lo più controllati da ciò che accade sotto”, ha detto Harding.

Le maree atmosferiche create dalla foresta pluviale formano un modello di marea con tre picchi principali che si estendono in tutto il mondo. Questi si muovono intorno alla Terra mentre ruota. Credito: Animazione Concept Lab della NASA

Le nuove misurazioni del vento di ICON stanno aiutando gli scienziati a comprendere i modelli di marea e i loro effetti in tutto il mondo.

Le maree scorrono nel cielo, diventando più forti e crescendo prima di passare attraverso la ionosfera. La dinamo elettrica emette un segnale acustico in risposta.

Gli scienziati hanno analizzato il primo anno dei dati ICON e hanno scoperto che i venti d’alta quota influenzano fortemente la ionosfera. “Abbiamo tracciato lo schema di come si muoveva la ionosfera e c’era una struttura ondulatoria”, ha detto Harding. Ha spiegato che i cambiamenti nel vento sono direttamente coerenti con la danza del plasma a 370 miglia sopra la superficie terrestre.

“La metà del movimento del plasma può essere attribuita ai venti che osserviamo lì sulla stessa linea del campo magnetico”, ha detto Emile. “Questo ti dice che è un’osservazione importante da fare se vuoi prevedere cosa fa il plasma”.

Il primo anno di osservazioni ICON ha coinciso con il Minimo Solare, la fase quiescente del ciclo di attività di 11 anni del Sole. Durante questo periodo, il comportamento del Sole era un costante ronzio basso. “Sappiamo che il Sole non fa molto, ma abbiamo visto molto contrasto dal basso e quindi cambiamenti molto evidenti nella ionosfera”, ha detto Emil. Ciò ha detto ai ricercatori che potevano escludere il sole come principale influenza.

A 60-95 miglia sopra la superficie terrestre, i venti associati alle maree atmosferiche (frecce bianche) spostano gli ioni e li separano dagli elettroni, formando un campo elettrico (linea blu) nella regione della dinamo. Il campo elettrico permea attraverso l’atmosfera superiore e spinge il plasma (rosa) su e giù come una fontana. Credito: Animazione Concept Lab della NASA

Man mano che il Sole avanza nella sua fase attiva, gli scienziati saranno in grado di studiare i cambiamenti più complessi e le interazioni tra di loro spazio L’atmosfera terrestre.

Emile si è detto entusiasta di ottenere questa conferma delle antiche teorie ionosferiche. “Abbiamo trovato la metà dei motivi per cui la ionosfera si comporta come lì nei dati”, ha detto. “Questo è quello che volevamo sapere.”

Tuttavia, Maut ha detto: “Questo lascia spazio per esplorare altre cose che contribuiscono al comportamento della ionosfera”.


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maggiori informazioni:
DOI: www.nature.com/articles/s41561-021-00848-4 Thomas J. Mel et al, Regolazione delle velocità del plasma ionosferico da parte dei venti termosferici, scienze naturali della terra (2021). DOI: 10.1038 / s41561-021-00848-4

la citazione: Forti venti forniscono campi elettrici nell’alta atmosfera, icona della NASA trovata (2021, 30 novembre) Estratto il 30 novembre 2021 da https://phys.org/news/2021-11-strong-power-electric-fields-upper. html

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