Ein internationales Team hat mithilfe satelliten- und bodengestützter Ionosphärenbeobachtungen gezeigt, dass eine durch Vulkanausbrüche ausgelöste Luftdruckwelle eine äquatoriale Plasmablase (EPB) in der Ionosphäre erzeugen kann, die die satellitengestützte Kommunikation erheblich stört. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.
Die Ionosphäre ist der Bereich der oberen Erdatmosphäre, in dem Moleküle und Atome durch Sonnenstrahlung ionisiert werden, wodurch positiv geladene Ionen entstehen. Der Bereich mit der höchsten Konzentration an ionisierten Teilchen wird F-Region genannt, ein Bereich 150 bis 800 Kilometer über der Erdoberfläche. Die F-Region spielt eine entscheidende Rolle bei der Funkkommunikation über große Entfernungen, da sie Radiowellen, die von Satelliten- und GPS-Tracking-Systemen verwendet werden, zurück zur Erdoberfläche reflektiert und bricht.
Diese wichtigen Übertragungen können durch Unregelmäßigkeiten in der F-Region gestört werden. Tagsüber wird die Ionosphäre durch die ultraviolette Strahlung der Sonne ionisiert, wodurch ein Dichtegradient von Elektronen entsteht, dessen Dichte in der Nähe des Äquators am höchsten ist. Störungen hiervon, wie etwa die Bewegung von Plasma, elektrischen Feldern und neutralen Winden, können jedoch zur Bildung einer lokalen Unregelmäßigkeit erhöhter Plasmadichte führen. Diese Region kann wachsen und sich entwickeln und eine blasenartige Struktur namens EPB bilden. EPB kann Funkwellen verzögern und die Leistung von GPS beeinträchtigen.
Da diese Dichtegradienten durch atmosphärische Wellen beeinflusst werden können, wird seit langem angenommen, dass sie durch terrestrische Ereignisse wie vulkanische Aktivität entstehen. Für ein internationales Team unter der Leitung des designierten Assistenzprofessors Atsuki Shinbori (er, ihn) und Professor Yoshizumi Miyoshi (er, ihn) vom Institut für Weltraum-Erde-Umweltforschung (ISEE) der Universität Nagoya in Zusammenarbeit mit NICT, der University of Electro -Communications, Tohoku-Universität, Kanazawa-Universität, Kyoto-Universität und ISAS bot ihnen der Tonga-Vulkanausbruch eine perfekte Gelegenheit, diese Theorie zu testen.
Der Vulkanausbruch auf Tonga war der größte U-Boot-Ausbruch in der Geschichte. Dies ermöglichte es dem Team, seine Theorie mithilfe des Arase-Satelliten zur Erkennung von EPB-Vorkommen, des Himawari-8-Satelliten zur Überprüfung des anfänglichen Eintreffens von Luftdruckwellen und bodengestützter Ionosphärenbeobachtungen zur Verfolgung der Bewegung der Ionosphäre zu testen. Sie beobachteten eine unregelmäßige Struktur der Elektronendichte über dem Äquator, die nach dem Eintreffen der durch den Vulkanausbruch erzeugten Druckwellen auftrat.
„Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass EPBs in der äquatorialen bis niedrigen Ionosphäre in Asien als Reaktion auf die Ankunft von Druckwellen erzeugt wurden, die durch unterseeische Vulkanausbrüche vor Tonga verursacht wurden“, sagte Shinbori.
Die Gruppe machte auch eine überraschende Entdeckung. Sie zeigten erstmals, dass ionosphärische Fluktuationen einige Minuten bis einige Stunden früher beginnen als die atmosphärischen Druckwellen, die an der Entstehung von Plasmablasen beteiligt sind. Dies könnte wichtige Auswirkungen haben, da es darauf hindeutet, dass das seit langem geltende Modell der Geosphäre-Atmosphäre-Kosmosphäre-Kopplung, das besagt, dass ionosphärische Störungen erst nach dem Ausbruch auftreten, überarbeitet werden muss.
„Unsere neue Erkenntnis ist, dass die ionosphärischen Störungen mehrere Minuten bis Stunden vor dem ersten Eintreffen der durch den Tonga-Vulkanausbruch ausgelösten Schockwellen beobachtet werden“, sagte Shinbori. „Dies deutet darauf hin, dass die Ausbreitung der schnellen atmosphärischen Wellen in der Ionosphäre die ionosphärischen Störungen vor dem ersten Eintreffen der Stoßwellen auslöste. Daher muss das Modell überarbeitet werden, um diese schnellen atmosphärischen Wellen in der Ionosphäre zu berücksichtigen.“
Sie fanden auch heraus, dass sich die EPB viel weiter ausdehnte, als von den Standardmodellen vorhergesagt. „Frühere Studien haben gezeigt, dass die Bildung von Plasmablasen in so großen Höhen selten vorkommt, was dies zu einem sehr ungewöhnlichen Phänomen macht“, sagte Shinbori. „Wir fanden heraus, dass das durch diese Eruption gebildete EPB den Weltraum sogar über die Ionosphäre hinaus erreichte, was darauf hindeutet, dass wir auf die Verbindung zwischen der Ionosphäre und der Kosmosphäre achten sollten, wenn extreme Naturphänomene wie das Tonga-Ereignis auftreten.“
„Die Ergebnisse dieser Forschung sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht von Bedeutung, sondern auch aus Sicht des Weltraumwetters und der Katastrophenvorsorge“, sagte er. „Bei einem Großereignis wie dem Ausbruch des Tonga-Vulkans haben Beobachtungen gezeigt, dass sich ein Loch in der Ionosphäre auch unter Bedingungen bilden kann, die unter normalen Umständen als unwahrscheinlich gelten. Solche Fälle wurden im Weltraum nicht berücksichtigt.“ Wettervorhersagemodelle. Diese Studie wird zur Verhinderung von Satellitenrundfunk- und Kommunikationsausfällen im Zusammenhang mit ionosphärischen Störungen beitragen, die durch Erdbeben, Vulkanausbrüche und andere Ereignisse verursacht werden.“
Mehr Informationen:
Entstehung einer äquatorialen Plasmablase nach dem Tonga-Vulkanausbruch 2022, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-33603-3