Mit der THEMIS-Mission der NASA wurden Aurora-Rätsel gelöst

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Aurorale Perlen von der Internationalen Raumstation aus gesehen, 17. September 2011 (Frame ID: ISS029-E-6012). Bildnachweis: NASA

Eine spezielle Art von Aurora, die wie eine leuchtende Perlenkette von Ost nach West über den Nachthimmel drapiert ist, hilft Wissenschaftlern, die Wissenschaft der Auroren und ihrer mächtigen Treiber im Weltraum besser zu verstehen. Diese als Auroralperlen bekannten Lichter erscheinen oft kurz vor großen Auroralanzeigen, die durch elektrische Stürme im Weltraum verursacht werden, die als Teilstürme bezeichnet werden. Bisher waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, ob Auroralperlen als Phänomen im Weltraum, das Teilstürmen vorausgeht, in irgendeiner Weise mit anderen Auroralanzeigen verbunden sind oder ob sie durch Störungen verursacht werden, die näher an der Erdatmosphäre liegen.


Leistungsstarke neue Computermodelle in Kombination mit Beobachtungen aus der Zeitgeschichte der Ereignisse der NASA und makroskaligen Interaktionen während der Mission THEMIS haben den ersten starken Beweis für die Ereignisse in der NASA erbracht Platz das führte zum Auftreten dieser Perlen und demonstrierte die wichtige Rolle, die sie in unserer raumnahen Umgebung spielen.

“Jetzt wissen wir mit Sicherheit, dass die Bildung dieser Perlen Teil eines Prozesses ist, der der Auslösung eines Teilsturms im Weltraum vorausgeht”, sagte Vassilis Angelopoulos, Hauptforscher von THEMIS an der University of California in Los Angeles. “Dies ist ein wichtiges neues Puzzleteil.”

Durch ein breiteres Bild als bei den drei THEMIS-Raumfahrzeugen oder Bodenbeobachtungen allein haben die neuen Modelle gezeigt, dass Auroralkügelchen durch Turbulenzen im Plasma verursacht werden – ein vierter Materiezustand, der aus gasförmigen und hochleitenden geladenen Partikeln besteht – die Erde umgeben. Die Ergebnisse, kürzlich in den Zeitschriften veröffentlicht Geophysikalische Forschungsbriefe und Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysikwird letztendlich den Wissenschaftlern helfen, die gesamte Bandbreite der Wirbelstrukturen in den Auroren besser zu verstehen.

“THEMIS-Beobachtungen haben jetzt Turbulenzen im Weltraum aufgedeckt, die dazu führen, dass Strömungen den Himmel wie einzelne Perlen in der leuchtenden Auroralkette erhellen”, sagte Evgeny Panov, Hauptautor einer der neuen Arbeiten und THEMIS-Wissenschaftler am Space Research Institute der Österreichische Akademie der Wissenschaften. “Diese Turbulenzen im Weltraum werden anfänglich durch leichtere und agilere Elektronen verursacht, die sich mit dem Gewicht von 2000-mal schwereren Partikeln bewegen und sich theoretisch zu vollständigen Auroral-Teilstürmen entwickeln können.”

Geheimnisse der Bildung von Auroralperlen

Auroren entstehen, wenn geladene Teilchen der Sonne in der magnetischen Umgebung der Erde – der Magnetosphäre – gefangen sind und in die obere Erdatmosphäre geleitet werden, wo Kollisionen Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatome und -moleküle zum Leuchten bringen. Durch die Modellierung der erdnahen Umgebung auf Skalen von zehn bis 1,2 Millionen Meilen konnten die THEMIS-Wissenschaftler die Details der Entstehung von Auroralperlen zeigen.

Wenn von der Sonne aufgestoßene Plasmawolken die Erde passieren, erzeugt ihre Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld schwimmende Plasmablasen hinter der Erde. Wie bei einer Lavalampe erzeugen Ungleichgewichte im Auftrieb zwischen den Blasen und dem schwereren Plasma in der Magnetosphäre Plasmafinger mit einer Breite von 2.500 Meilen, die sich in Richtung Erde erstrecken. Die Signaturen dieser Finger erzeugen die ausgeprägte perlenförmige Struktur in der Aurora.

“Insgesamt wurde festgestellt, dass diese relativ kleinen vorübergehenden Ereignisse in der Magnetosphäre irgendwie wichtig sind”, sagte David Sibeck, THEMIS-Projektwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. “Wir sind erst kürzlich an einem Punkt angelangt, an dem die Rechenleistung ausreicht, um die grundlegende Physik in diesen Systemen zu erfassen.”

Nachdem die Wissenschaftler nun verstanden haben, dass die Auroralperlen Teilstürmen vorausgehen, möchten sie herausfinden, wie, warum und wann die Perlen einen vollständigen Teilsturm auslösen können. Zumindest theoretisch können sich die Finger verheddern Magnetfeld Linien und verursachen ein explosives Ereignis, das als magnetische Wiederverbindung bekannt ist und bekanntermaßen Teilstürme und Auroren in vollem Umfang erzeugt, die den Nachthimmel füllen.

Neue Modelle öffnen neue Türen

Seit seiner Einführung im Jahr 2007 führt THEMIS detaillierte Messungen durch die Magnetosphäre durch, um die Ursachen der Teilstürme zu verstehen, die zu Auroren führen. In seiner Hauptaufgabe konnte THEMIS zeigen, dass die magnetische Wiederverbindung ein Haupttreiber für Teilstürme ist. Die neuen Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Strukturen und Phänomenen in kleineren Maßstäben – diese Hunderte und Tausende von Kilometern im Vergleich zu solchen, die sich über Millionen von Kilometern erstrecken.

“Um diese Merkmale in der Aurora zu verstehen, muss man wirklich sowohl globale als auch kleinere lokale Skalen auflösen. Deshalb war es bisher so herausfordernd”, sagte Slava Merkin, Co-Autorin eines der neuen Artikel und Wissenschaftler am NASA Center for Geospace Storms mit Hauptsitz im Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland. “Es erfordert sehr ausgefeilte Algorithmen und sehr große Supercomputer.”

Die neuen Computersimulationen passen fast perfekt zu THEMIS und Bodenbeobachtungen. Nach dem anfänglichen Erfolg der neuen Computermodelle sind die THEMIS-Wissenschaftler bestrebt, sie auf andere ungeklärte aurorale Phänomene anzuwenden. Insbesondere bei der Erklärung kleinräumiger Strukturen sind Computermodelle von entscheidender Bedeutung, da sie dazu beitragen können, zu interpretieren, was zwischen den Räumen passiert, an denen die drei THEMIS-Raumschiffe vorbeifahren.

“Es gibt viele sehr dynamische, sehr kleine Strukturen, die Menschen in den Auroren sehen und die sich nur schwer mit dem größeren Bild im Raum verbinden lassen, da sie sehr schnell und in sehr kleinen Maßstäben auftreten”, sagte Kareem Sorathia, Hauptautor einer der folgenden die neuen Arbeiten und Wissenschaftler am NASA Center for Geospace Storms mit Sitz im Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. “Jetzt, da wir globale Modelle verwenden können, um sie zu charakterisieren und zu untersuchen, eröffnen sich viele neue Türen.”


Pulsierende Aurora-Geheimnisse, die mithilfe der THEMIS-Mission der NASA aufgedeckt wurden


Mehr Informationen:
KA Sorathia et al., Instabilität des Ballonaustauschs im erdnahen Plasmablatt und in den Auroralperlen: Globale magnetosphärische Modellierung an der Grenze der MHD-Approximation, Geophysikalische Forschungsbriefe (2020). DOI: 10.1029 / 2020GL088227

Evgeny V. Panov et al. Verständnis der Flugbahnen von Raumfahrzeugen durch abgetrennte Magnetschwanz-Austauschköpfe, Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik (2020). DOI: 10.1029 / 2020JA027930

Zur Verfügung gestellt von
Goddard Space Flight Center der NASA

Zitat: Aurora-Rätsel, die mit der THEMIS-Mission der NASA (2020, 14. August) gelöst wurden, wurden am 15. August 2020 von https://phys.org/news/2020-08-aurora-mysteries-nasa-themis-mission.html abgerufen

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