NASA-Mission GOLD entdeckt überraschende C- und X-Formen in der Atmosphäre

Wer hätte gedacht, dass die obere Atmosphäre der Erde einer Buchstabensuppe gleicht? Die GOLD-Mission (Global-scale Observations of the Limb and Disk) der NASA hat unerwartete C- und X-förmige Formationen in einer elektrifizierten Gasschicht hoch über unseren Köpfen entdeckt, die als Ionosphäre bezeichnet wird.

Diese alphabetischen Formen wurden zwar schon früher beobachtet, GOLD erkennt sie jedoch deutlicher als andere Instrumente und findet sie jetzt auch an Orten und zu Zeiten, wo Wissenschaftler sie nicht erwartet hätten. Ihr überraschendes Auftauchen beweist, dass wir noch viel über die Ionosphäre und ihre Auswirkungen auf Kommunikations- und Navigationssignale, die sie durchqueren, lernen müssen.

Die dynamische Schnittstelle der Erde zum Weltraum

Die Ionosphäre erstreckt sich 80 bis 640 Kilometer über uns und wird tagsüber elektrisch aufgeladen, wenn Sonnenlicht auf unseren Planeten trifft und seine Energie Elektronen aus Atomen und Molekülen herausschlägt. Dadurch entsteht eine Suppe aus geladenen Teilchen, bekannt als Plasma, die es Radiosignalen ermöglicht, über weite Entfernungen zu reisen.

In der Nähe des magnetischen Äquators der Erde werden geladene Teilchen entlang der magnetischen Feldlinien nach oben und außen geleitet, wodurch nördlich und südlich des Äquators zwei dichte Teilchenbänder entstehen, die Wissenschaftler als Berggipfel bezeichnen. Wenn die Nacht hereinbricht und die Sonnenenergie nachlässt, können sich in der Ionosphäre Taschen mit geringer Dichte im Plasma bilden, sogenannte Blasen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte können die Berggipfel und Blasen Radio- und GPS-Signale stören.

Während frühere Beobachtungen nur kurze Einblicke in die Ionosphärenkämme und Blasen ermöglichten, beobachtet GOLD diese Merkmale über längere Zeiträume. Dies ist seiner geostationären Umlaufbahn zu verdanken, die unseren Planeten mit der gleichen Geschwindigkeit umkreist, mit der sich die Erde dreht, sodass GOLD über der westlichen Hemisphäre schweben kann.

Unerwartete X-förmige Spitzen bei ruhigen Bedingungen

Die Ionosphäre reagiert empfindlich auf Störungen aus dem Weltraum und vom Wetter auf der Erde. GOLD hat bereits zuvor gezeigt, dass sich die Wellenberge der Ionosphäre nach einem Sonnensturm oder einem gewaltigen Vulkanausbruch zu einer X-Form verschmelzen können. Doch nun konnte GOLD bei mehreren Gelegenheiten beobachten, wie sich eine X-Form bildete, als es keine derartigen Störungen gab – was Wissenschaftler als „ruhige Zeit“ bezeichnen.

„Frühere Berichte über Verschmelzungen gab es nur unter geomagnetisch gestörten Bedingungen – während geomagnetisch ruhiger Bedingungen ist dies ein unerwartetes Phänomen“, sagte Fazlul Laskar vom Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (LASP) der University of Colorado, der Hauptautor einer Artikel über diese Entdeckung veröffentlicht im Journal of Geophysical Research: Weltraumphysik.

Diese unerwarteten Erscheinungen lassen die Wissenschaftler vermuten, dass bei der Entstehung dieser X-Formen noch etwas anderes beteiligt sein muss. Computermodelle lassen vermuten, dass das X entstehen könnte, wenn Veränderungen in der unteren Atmosphäre Plasma nach unten ziehen.

„Das X ist seltsam, weil es andeutet, dass es viel mehr lokale Antriebsfaktoren gibt“, sagte Jeffrey Klenzing, ein Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der die Ionosphäre erforscht. „Das ist während extremer Ereignisse zu erwarten, aber wenn man es während ‚ruhiger Zeiten‘ beobachtet, deutet das darauf hin, dass die Aktivität der unteren Atmosphäre die Struktur der Ionosphäre maßgeblich antreibt.“

C-förmige Blasen deuten auf starke Turbulenzen hin

GOLD hat außerdem überraschende C-förmige Plasmablasen entdeckt, die auf andere rätselhafte Dynamiken hinweisen, die die Ionosphäre beeinflussen.

Die meisten Plasmablasen erscheinen lang und gerade und bilden sich entlang magnetischer Feldlinien. Manche Blasen sind jedoch C-förmig oder umgekehrt C-förmig gekrümmt, und Wissenschaftler glauben, dass diese Blasen durch terrestrische Winde geformt werden. Computermodelle legen nahe, dass sich eine C-Form bildet, wenn die Winde am magnetischen Äquator mit der Höhe zunehmen, und eine umgekehrte C-Form, wenn die Winde mit der Höhe abnehmen.

„Es ist ein bisschen wie bei einem Baum, der in einer windigen Gegend wächst“, erklärt Klenzing. „Wenn der Wind typischerweise nach Osten weht, beginnt der Baum, sich zu neigen und in diese Richtung zu wachsen.“

In einem Artikel erscheint im November 2023 im Journal of Geophysical Research: WeltraumphysikDer LASP-Wissenschaftler Deepak Karan und seine Kollegen berichten, dass GOLD beobachtet hat, dass C-förmige und umgekehrt C-förmige Plasmablasen überraschend nahe beieinander auftauchen – bis zu 400 Meilen voneinander entfernt (ungefähr die Entfernung zwischen Baltimore und Boston).

„Bei so geringer Entfernung hatte man nie an diese beiden entgegengesetzt geformten Plasmablasen gedacht und sie auch nie abgebildet“, sagte Karan. Damit die Windmuster in einem so kleinen Gebiet ihre Richtung ändern können, glaubt Karan, dass in der Atmosphäre wahrscheinlich eine Art starker Turbulenz im Spiel ist – wie ein Wirbel, Windscheren oder tornadoartige Aktivität.

„Die Tatsache, dass wir so nah beieinander sehr unterschiedliche Blasenformen haben, zeigt uns, dass die Dynamik der Atmosphäre komplexer ist als erwartet“, sagte Klenzing.

Diese engen Paarungen scheinen selten zu sein, bisher wurden von GOLD nur zwei Fälle aufgezeichnet. Da diese Merkmale jedoch wichtige Kommunikations- und Navigationstechnologien stören können, „ist es wirklich wichtig, herauszufinden, warum dies geschieht“, sagte Karan. „Wenn ein Wirbel oder eine sehr starke Scherung im Plasma aufgetreten ist, wird dies das Plasma in dieser Region vollständig verzerren. Bei einer derartigen starken Störung gehen Signale vollständig verloren.“

Wissenschaftler hoffen, dass die fortlaufenden Beobachtungen von GOLD in Kombination mit denen anderer Heliophysik-Missionen dazu beitragen können, diese Geheimnisse der Ionosphäre und ihre Auswirkungen auf unser Leben zu entschlüsseln.