Wenn Sie die Nordlichter über sich sehen, befinden Sie sich wahrscheinlich in einem kühlen, polaren Klima. Aber die Kaltwetterfreuden – auch bekannt als Aurora Borealis – hoch über Ihnen sind tatsächlich eine wichtige Wärmequelle. Eine neue NASA-Mission hofft, durch eine aktive Aurora zu fliegen, um diesen Energieaustauschprozess aus nächster Nähe zu untersuchen. Das Startfenster für die Ionen-Neutral-Kopplung während der Active Aurora- oder INCAA-Mission öffnet am 23. März auf der Poker Flat Research Range in Poker Flat, Alaska.
Als Bewohner der Troposphäre, der untersten atmosphärischen Schicht der Erde, sind wir an Luft aus neutralen Teilchen gewöhnt. Der Sauerstoff und Stickstoff, den wir atmen, sind magnetisch ausgeglichene Atome und Moleküle mit all ihren Elektronen. Aber Hunderte von Kilometern über uns beginnt unsere Luft ihren Charakter grundlegend zu verändern. Durch die ungefilterten Strahlen der Sonne angeregt, werden Elektronen aus ihren Atomen herausgerissen, die dann eine positive Ladung annehmen. Ein einst neutrales Gas verwandelt sich in einen elektrisch reaktiven Materiezustand, der als Plasma bekannt ist.
Es gibt keine harte Abschaltung, wo das neutrale Gas endet und das Plasma beginnt. Stattdessen gibt es eine ausgedehnte Grenzschicht, in der sich die beiden Populationen vermischen. Tägliche Winde und magnetische Störungen schicken die beiden Teilchenpopulationen in verschiedene Richtungen, kollidieren gelegentlich – und erzeugen als Ergebnis eine interessante Physik.
„Reibung ist eine großartige Analogie“, sagte Stephen Kaeppler, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Clemson University in South Carolina und Hauptforscher der INCAA-Mission. „Wir alle wissen, dass wir uns die Hände aneinander reiben, da bekommt man Hitze. Es ist die gleiche Grundidee, nur dass wir es jetzt stattdessen mit Gasen zu tun haben.“
Diese Grenzschicht, an der sich neutrale Atmosphäre und Plasma treffen, erfährt eine ständige Reibung. Aber aktive Polarlichter drehen alles um eine Stufe höher.
Auroras entstehen, wenn Elektronen aus dem erdnahen Weltraum plötzlich in unsere Atmosphäre strömen. Sie kollidieren schließlich mit neutralen Teilchen und setzen sie in Brand.
Eine konzeptionelle Animation, die Elektronen zeigt, die die Magnetfeldlinien der Erde hinunterwandern und mit Partikeln in der Erdatmosphäre kollidieren, um die Aurora auszulösen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/CILab/Bailee DesRocher
„Es ist, als würde man nach einem College-Spiel das Footballfeld stürmen“, sagte Kaeppler. „Die Leute an der Spitze des Stadions rennen auf das Feld zu, und je näher man dem Feld kommt, desto dichter wird die Menge. So ist es für Elektronen, die der zunehmenden neutralen Dichte der oberen Atmosphäre ausgesetzt sind.“
Diese Elektronen stürzen durch die überfüllte Atmosphäre und kollidieren mit neutralen Atomen, wodurch Reibung und Hitze innerhalb der Aurora erzeugt werden. Aber sie wirbeln auch die breitere Grenzschicht auf, was die Mischung und Reibung in größeren Maßstäben verstärkt. Herauszufinden, wie Polarlichter die Grenzschicht beeinflussen, ist der Schlüssel zum Verständnis, wie viel Energie sie letztendlich in unsere obere Atmosphäre abgeben.
Zu diesem Zweck starten Kaeppler und sein Team INCAA, um durch eine Aurora zu fliegen und zu messen, wie sie diese Grenzschicht verändert, wo Plasma auf neutrales Gas trifft.
INCAA besteht aus zwei Nutzlasten, die jeweils auf einer separaten Höhenforschungsrakete montiert sind. Höhenforschungsraketen sind kleine Trägerraketen, die für ein paar Minuten Messungen in den Weltraum aufsteigen, bevor sie auf die Erde zurückfallen. Höhenforschungsraketen sind ideal geeignet, um kurze, vorübergehende Phänomene wie Polarlichter zu untersuchen, die sich an einem Ort bilden und dann innerhalb weniger Minuten verschwinden können.
Das Team wird an der Startrampe warten, bis eine Aurora über ihnen erscheint, und dann die beiden Raketen schnell hintereinander starten. Auf ihrem Weg nach oben wird die erste Rakete Dampfspuren freisetzen, bunte Chemikalien, die denen ähneln, die in Feuerwerksshows verwendet werden, bevor sie ihre Spitzenhöhe von etwa 186 Meilen erreichen. Die Vapour Tracer erzeugen sichtbare Wolken, die Forscher vom Boden aus sehen können, und verfolgen die Winde in der neutralen Atmosphäre, als würde man Lebensmittelfarbe in ein mit Wasser gefülltes Waschbecken tropfen, um zu sehen, wie sich das Wasser bewegt. Die zweite Rakete wird kurz darauf starten und etwa 200 Kilometer Höhe erreichen, um die Temperatur und Dichte des Plasmas in und um die Aurora zu messen.
Was die Daten zeigen werden, ist unklar, aber Kaeppler hofft zu erfahren, wie die Aurora diese Grenzschicht verschiebt, wo elektrifizierte Luft auf Neutral trifft. Es könnte es weiter in Richtung Boden drücken, höher heben oder vielleicht dazu bringen, dass es sich in sich selbst zusammenfaltet. Jede dieser Möglichkeiten beeinflusst, wie unser Planet Energie mit dem Raum um ihn herum austauscht – aber alles hängt von den Details ab. „All diese Faktoren machen dies zu einem interessanten physikalischen Problem, das es zu untersuchen gilt“, sagte Kaeppler.