Tiheä kerros molekyylejä ja sähköisesti varautuneita hiukkasia, nimeltään ionosfääri, roikkuu maan ylemmässä ilmakehässä noin 35 mailia (60 km) planeetan pinnan yläpuolelta ja ulottuu 620 mailin (1000 km) yli. Ylhäältä tuleva auringonsäteily puskuroi ilmakehän kerrokseen suspendoituneita hiukkasia. Radiosignaalit alhaalta poistuvat ionosfääristä takaisin maan päällä oleviin instrumentteihin. Kun ionosfääri limittyy magneettikenttien kanssa, taivas purkautuu loistavissa valonäytöissä, joita on uskomattoman nähdä.
Missä ionosfääri on?
Maan ilmakehästä muodostuu useita erillisiä kerroksia, mukaan lukien mesosfääri, joka alkaa 50 mailia ylöspäin, ja termosfääri, joka alkaa 53 km: n (85 km) ylöspäin. Ionosfääri koostuu kolmesta osasta mesosfäärin ja lämpökehän sisällä, jotka on merkitty D-, E- ja F-kerroksiin, UCAR-tiedekeskuksen mukaan.
Äärimmäinen ultraviolettisäteily ja auringon röntgenkuvat pommittavat näitä ilmakehän ylemmiä alueita, lyöden atomien ja molekyylien, jotka ovat näiden kerrosten sisällä. Voimakas säteily purkaa negatiivisesti varautuneita elektroneja hiukkasista muuttaen näiden hiukkasten sähkövarausta. Tuloksena oleva vapaiden elektronien ja varautuneiden hiukkasten pilvi, joita kutsutaan ioneiksi, johti nimeen "ionosfääri". Ionisoitu kaasu tai plasma sekoittuu tiheämmän, neutraalin ilmakehän kanssa.
Ionien konsentraatio ionosfäärissä vaihtelee maan päällä olevan aurinkosäteilyn määrän mukaan. Ionosfääri kasvaa tiheästi varautuneiden hiukkasten kanssa päivän aikana, mutta tiheys vähenee yöllä, kun varautuneet hiukkaset yhdistyvät siirrettyjen elektronien kanssa. NASA: n mukaan ionosfäärin kokonaiset kerrokset ilmestyvät ja katoavat tämän päivittäisen syklin aikana. Auringonsäteily vaihtelee myös 11 vuoden ajanjakson aikana, mikä tarkoittaa, että aurinko saattaa säteilyttää enemmän tai vähemmän säteilyä vuodesta riippuen.
Räjähtävät aurinkokeilat ja tuulenpuuskat herättävät äkillisiä muutoksia ionosfäärissä, yhdessä korkean tuulen ja ankarien sääjärjestelmien kanssa, jotka hauduttavat alla olevassa maapallossa.
Valaa taivas
Auringon polttava kuuma pinta heijastaa voimakkaasti varautuneita hiukkasia, ja nämä virrat tunnetaan aurinkotuulina. NASA: n Marshall-avaruuslentokeskuksen mukaan aurinkotuuli lentää avaruuden läpi nopeudella noin 40 mailia (40 km) sekunnissa. Saavuttuaan maapallon magneettikentään ja alapuolella olevaan ionosfääriin, aurinkotuulet aloittivat yötaivaalla värikkään kemiallisen reaktion, jota kutsutaan auroraksi.
Kun aurinkotuulet ruiskuttavat maan yli, planeetta pysyy suojattuna magneettikentänsä takana, joka tunnetaan myös nimellä magnetosfääri. Magneettisfääri, joka syntyy polttamalla sulaa rautaa maan ytimessä, lähettää auringonsäteilyä kilpailemalla kumpaankin napaan. Siellä varautuneet hiukkaset törmäävät ionosfäärissä pyörteilevien kemikaalien kanssa muodostaen loitsuhermoja.
Tutkijat ovat havainneet, että auringon oma magneettikenttä puristaa maapallon heikomman, siirtäen aurorat kohti planeetan yön puolella, kuten Popular Mechanics on ilmoittanut.
National Geographicin mukaan arktisen ja antarktisen ympyrän lähellä aurarat viivaavat taivaan yli joka ilta. Värikkäät valoverhot, tunnetaan vastaavasti nimellä aurora borealis ja aurora australis, roikkuvat noin 620 mailin (1000 km) päässä maan pinnasta. Aurorat hehkuvat vihreänkeltaisina, kun ionit lyövät happipartikkeleita ala-ionosfäärissä. Punertava valo kukkii usein auroran reunoja pitkin, ja purppurat ja blues ilmestyvät myös öisin taivaaseen, tosin harvoin.
"Aurora-syy on jonkin verran tiedossa, mutta sitä ei ole täysin ratkaistu", sanoi Bostonin yliopiston geofysiologi Toshi Nishimura. "Esimerkiksi se, mikä aiheuttaa tietyn tyyppisiä aurora-värejä, kuten violetti, on edelleen mysteeri."
Kuka on Steve?
Auroran lisäksi ionosfääri isännöi myös muita vaikuttavia valonäytöksiä.
Vuonna 2016 kansalaistutkijat havaitsivat erityisen herättäviä ilmiöitä, joita tutkijat pyrkivät selittämään, Live Science -sisarsivusto Space.com raportoi aiemmin. Valkoisen ja vaaleanpunaisen valon kirkkaat joet virtaavat Kanadan yli, joka on kauempana eteläpuolella kuin useimmat aurat näyttävät. Toisinaan sekoitukseen liittyi vihreitä viiroja vihreitä. Salaperäiset valot nimettiin Steve kunnioituksena animaatioelokuvalle "Over the Hedge" ja ne muutettiin myöhemmin uudelleen nimellä "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" - vielä STEVE lyhytaikaisesti.
"Olemme tutkineet auroraa satojen vuosien ajan, emmekä pystyneet, ja emme voi edelleenkään selittämään, mitä Steve on", kertoi New Jerseyn teknillisen instituutin avaruussäätutkija Gareth Perry. "Se on mielenkiintoinen, koska sen päästöt ja ominaisuudet ovat toisin kuin mikään muu, jota havaitsemme ainakin optiikan suhteen ionosfäärissä."
Geophysical Research Letters -lehdessä vuonna 2019 tehdyn tutkimuksen mukaan STEVE: n vihreät raitit voivat kehittyä samalla tavalla kuin perinteiset aurorat muodostuvat, kun varautuneet hiukkaset sadettavat ilmakehään. STEVE: ssä valovoima näyttää kuitenkin hehkuvan, kun ionosfäärin hiukkaset törmäävät ja tuottavat lämpöä keskenään.
Viestintä ja navigointi
Vaikka reaktiot ionosfäärissä maalaavat taivaan loistavilla sävyillä, ne voivat myös häiritä radiosignaaleja, häiritä navigointijärjestelmiä ja joskus aiheuttaa laajalle levinneitä virtakatkoksia.
Ionosfääri heijastaa alle 10 megahertsin radiolähetyksiä, jolloin armeija, lentoyhtiöt ja tutkijat voivat yhdistää tutka- ja viestintäjärjestelmät pitkiä matkoja. Nämä järjestelmät toimivat parhaiten, kun ionosfääri on sileä, kuten peili, mutta ne voivat häiritä plasman epäsäännöllisyydet. GPS-siirrot kulkevat ionosfäärin läpi, ja siksi niissä on samat haavoittuvuudet.
"Suurten geomagneettisten myrskyjen tai avaruussäätapahtumien aikana virrat voivat aiheuttaa muita virtauksia maassa, sähköverkoissa, putkistoissa jne. Ja aiheuttaa tuhoa", Perry sanoi. Yksi tällainen aurinko myrsky aiheutti kuuluisan Quebecin sähkökatkon vuonna 1989. "Kolmekymmentä vuotta myöhemmin sähköjärjestelmämme ovat edelleen alttiita tällaisille tapahtumille."
Tutkijat tutkivat ionosfääriä tutkat, kamerat, satelliittivälitteiset instrumentit ja tietokonemallit ymmärtääksesi paremmin alueen fysikaalista ja kemiallista dynamiikkaa. Tämän tiedon avulla he haluavat paremmin ennustaa ionosfäärin häiriöitä ja estää ongelmia, jotka voivat aiheuttaa alla olevaa maata.
