Wann ist ein Polarlicht kein Polarlicht? Phänomene namens „Steve“ und „Lattenzaun“ tarnen sich als Polarlichter

Die schimmernden grünen, roten und violetten Vorhänge der Nord- und Südlichter – die Polarlichter – sind vielleicht die bekanntesten Phänomene, die den Nachthimmel erhellen, aber am geheimnisvollsten sind die malvenfarbenen und weißen Streifen namens Steve und ihr häufiger Begleiter, ein Glühen grüner „Lattenzaun“.

Steve wurde erstmals im Jahr 2018 als Unterschied zu den gewöhnlichen Polarlichtern erkannt – eine ironische Anspielung auf den harmlosen Namen, der einer gruseligen Hecke in einem Kinderfilm aus dem Jahr 2006 gegeben wurde – und der dazugehörige Lattenzaun wurden dennoch durch dieselben physikalischen Prozesse verursacht . Doch die Wissenschaftler rätseln darüber, wie diese leuchtenden Emissionen erzeugt wurden.

Claire Gasque, Doktorandin der Physik an der University of California in Berkeley, hat nun eine physikalische Erklärung für diese Phänomene vorgeschlagen, die sich völlig von den Prozessen unterscheidet, die für die bekannten Polarlichter verantwortlich sind. Sie hat sich mit Forschern des Space Sciences Laboratory (SSL) des Campus zusammengetan, um der NASA vorzuschlagen, eine Rakete in das Herz der Aurora zu starten, um herauszufinden, ob sie Recht hat.

Lebhafte Polarlichter und leuchtende Phänomene wie Steve und der Lattenzaun treten immer häufiger auf, wenn die Sonne in die aktive Phase ihres 11-Jahres-Zyklus eintritt, und der November war ein guter Monat für Steve-Beobachtungen in den nördlichen Breiten. Da alle diese vorübergehenden Lichtphänomene durch Sonnenstürme und koronale Massenauswürfe der Sonne ausgelöst werden, ist das nahende Sonnenmaximum ein idealer Zeitpunkt, um seltene Ereignisse wie Steve und den Lattenzaun zu untersuchen.

Gasque beschrieb die Physik hinter dem Lattenzaun in einem Papier letzten Monat in der Zeitschrift veröffentlicht Geophysikalische Forschungsbriefe und wird die Ergebnisse am 14. Dezember in einem eingeladenen Vortrag beim Treffen der American Geophysical Union in San Francisco diskutieren.

Sie berechnete, dass in einer Region der oberen Atmosphäre weiter südlich als der, in der sich Polarlichter bilden, elektrische Felder parallel zum Erdmagnetfeld das Farbspektrum des Lattenzauns erzeugen könnten. Wenn dies zutrifft, hat dieser ungewöhnliche Prozess Auswirkungen darauf, wie Physiker den Energiefluss zwischen der Magnetosphäre der Erde, die die Erde umgibt und vor dem Sonnenwind schützt, und der Ionosphäre am Rande des Weltraums verstehen.

„Dies würde in einigen Fällen unsere Modellierung dessen, was Licht und Energie im Polarlicht erzeugt, auf den Kopf stellen“, sagte Gasque.

„Das wirklich Interessante an Claires Artikel ist, dass wir schon seit ein paar Jahren wissen, dass das Steve-Spektrum uns sagt, dass hier eine sehr exotische Physik im Gange ist. Wir wussten einfach nicht, was es war“, sagte er Brian Harding, ein Co-Autor des Artikels und ein SSL-Assistenzphysiker. „Claires Artikel zeigte, dass parallele elektrische Felder dieses exotische Spektrum erklären können.“

Die Arbeit war ein Nebenprojekt von Gasques Doktorarbeit. Diese These konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen Ereignissen wie Vulkanen auf der Erdoberfläche und Phänomenen in der Ionosphäre 100 Kilometer oder mehr über unseren Köpfen.

Aber nachdem sie auf einer Konferenz im Jahr 2022 von Steve gehört hatte – was mittlerweile ein Akronym für Strong Thermal Emission Velocity Enhancement ist –, konnte sie es nicht lassen, einen Blick auf die Physik hinter Steve und dem Lattenzaun zu werfen.

„Es ist wirklich cool“, sagte sie. „Es ist derzeit eines der größten Rätsel der Weltraumphysik.“

Die Physik von Steve und dem Lattenzaun

Die gewöhnlichen Polarlichter entstehen, wenn der Sonnenwind Teilchen in der Erdmagnetosphäre anregt, oft in Höhen von mehr als 1.000 Kilometern über der Erdoberfläche. Diese energiereichen Teilchen drehen sich um die magnetischen Feldlinien der Erde in Richtung der Pole, wo sie auf Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der oberen Atmosphäre treffen und diese anregen. Wenn sich diese Moleküle entspannen, emittiert Sauerstoff bestimmte Frequenzen von grünem und rotem Licht, während Stickstoff etwas rote, aber hauptsächlich blaue Emissionslinie erzeugt.

Die dabei entstehenden bunt schimmernden Vorhänge können sich über Tausende von Kilometern über die nördlichen oder südlichen Breiten erstrecken.

Steve zeigt jedoch keine einzelnen Emissionslinien, sondern einen breiten Frequenzbereich rund um Lila oder Lila. Und im Gegensatz zu Polarlichtern strahlen weder Steve noch der Lattenzaun blaues Licht aus, das entsteht, wenn die energiereichsten Teilchen auf Stickstoff treffen und ihn ionisieren. Steve und der Lattenzaun kommen auch in niedrigeren Breiten als das Polarlicht vor, möglicherweise sogar bis zum Äquator.

Einige Forscher schlugen vor, dass Steve durch Ionenströme in der oberen Atmosphäre verursacht wird, die als subaurorale Ionendrift oder SAID bezeichnet werden, obwohl es keine allgemein anerkannte physikalische Erklärung dafür gibt, wie SAID die farbenfrohen Emissionen erzeugen könnte.

Gasques Interesse wurde durch die Vermutung geweckt, dass die Emissionen des Lattenzauns durch elektrische Felder in geringer Höhe parallel zum Erdmagnetfeld erzeugt werden könnten. Diese Situation galt als unmöglich, da jedes mit dem Magnetfeld ausgerichtete elektrische Feld schnell kurzschließen und verschwinden würde.

Anhand eines gängigen physikalischen Modells der Ionosphäre zeigte Gasque anschließend, dass ein moderates paralleles elektrisches Feld – etwa 100 Millivolt pro Meter – in einer Höhe von etwa 110 km Elektronen auf eine Energie beschleunigen könnte, die Sauerstoff und Stickstoff anregen und das Lichtspektrum erzeugen würde vom Lattenzaun aus beobachtet. Ungewöhnliche Bedingungen in diesem Bereich, wie etwa eine geringere Dichte geladenen Plasmas und neutralere Sauerstoff- und Stickstoffatome, könnten möglicherweise als Isolierung wirken, um einen Kurzschluss des elektrischen Feldes zu verhindern.

„Wenn man sich das Spektrum des Lattenzauns ansieht, ist er viel grüner, als man erwarten würde. Und es gibt nichts von dem Blau, das durch die Ionisierung von Stickstoff entsteht“, sagte Gasque. „Das sagt uns, dass es nur einen bestimmten Energiebereich von Elektronen gibt, die diese Farben erzeugen können, und dass sie nicht aus dem Weltraum in die Atmosphäre gelangen können, weil diese Teilchen zu viel Energie haben.“

Stattdessen, sagte sie, „wird das Licht des Lattenzauns von Partikeln erzeugt, die direkt im Raum durch ein paralleles elektrisches Feld mit Energie versorgt werden müssen, was ein völlig anderer Mechanismus ist als alle Polarlichter, die wir untersucht haben oder kennen.“ Vor.“

Sie und Harding vermuten, dass Steve selbst durch verwandte Prozesse entstanden sein könnte. Ihre Berechnungen sagen auch die Art der ultravioletten Emissionen voraus, die dieser Prozess erzeugen würde, was überprüft werden kann, um die neue Hypothese über den Lattenzaun zu bestätigen.

Obwohl sich Gasques Berechnungen nicht direkt mit dem Ein-Aus-Glühen befassen, das das Phänomen wie einen Lattenzaun aussehen lässt, ist es wahrscheinlich auf wellenförmige Schwankungen im elektrischen Feld zurückzuführen, sagte sie. Und obwohl die Teilchen, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden, wahrscheinlich nicht von der Sonne stammen, löst die Störung der Atmosphäre durch Sonnenstürme wahrscheinlich Steve und den Lattenzaun aus, ebenso wie das gewöhnliche Polarlicht.

Verstärkte Polarlichter weisen ein lattenzaunartiges Leuchten auf

Der nächste Schritt, sagte Harding, bestehe darin, eine Rakete von Alaska aus durch diese Phänomene zu starten und die Stärke und Richtung der elektrischen und magnetischen Felder zu messen. SSL-Wissenschaftler sind auf die Entwicklung und den Bau von Instrumenten spezialisiert, die genau das tun. Viele dieser Instrumente befinden sich auf Raumfahrzeugen, die jetzt die Erde und die Sonne umkreisen.

Das Ziel wäre zunächst ein sogenanntes verstärktes Polarlicht, bei dem es sich um ein normales Polarlicht mit eingebetteten lattenzaunähnlichen Emissionen handelt.

„Das verstärkte Polarlicht ist im Grunde diese helle Schicht, die in das normale Polarlicht eingebettet ist. Die Farben ähneln denen des Lattenzauns, da nicht so viel Blau darin ist und mehr Grün durch Sauerstoff und Rot durch Stickstoff vorhanden ist. Die Hypothese ist, dass diese werden auch durch parallele elektrische Felder erzeugt, sind aber viel häufiger als der Lattenzaun“, sagte Gasque.

Der Plan besteht nicht nur darin, „eine Rakete durch diese verstärkte Schicht zu fliegen, um diese parallelen elektrischen Felder zum ersten Mal tatsächlich zu messen“, sagte sie, sondern auch darin, eine zweite Rakete nach oben zu schicken, um die Partikel in größeren Höhen zu messen, „um die Bedingungen zu unterscheiden.“ von denen, die die Polarlichter verursachen. Schließlich hofft sie auf eine Rakete, die direkt durch Steve und den Lattenzaun fliegt.

Harding, Gasque und Kollegen haben der NASA im Herbst eine solche Höhenforschungsraketenkampagne vorgeschlagen und erwarten im ersten Halbjahr 2024 eine Rückmeldung zu ihrer Auswahl. Gasque und Harding betrachten das Experiment als einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Chemie und Physik der oberen Atmosphäre , der Ionosphäre und der Erdmagnetosphäre sowie ein Vorschlag im Einklang mit dem Low Cost Access to Space (LCAS)-Programm, das von der NASA für Projekte wie dieses gefördert wird.

„Man kann mit Fug und Recht sagen, dass es in Zukunft viele Untersuchungen darüber geben wird, wie diese elektrischen Felder dorthin gelangten, mit welchen Wellen sie verbunden sind oder nicht und was das für den größeren Energietransfer zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum bedeutet.“ „, sagte Harding. „Wir wissen es wirklich nicht. Claires Artikel ist der erste Schritt in der Kette dieses Verständnisses.“

Gasque drückte ihre Wertschätzung für den Beitrag von Menschen aus, die sich mit der mittleren Ionosphäre oder Mesosphäre und der Stratosphäre befassen und deren Ideen ihr dabei halfen, die Lösung zu finden.

„Durch diese Zusammenarbeit konnten wir auf diesem Gebiet einige wirklich tolle Fortschritte erzielen“, sagte sie. „Ehrlich gesagt ging es nur darum, unserer Nase zu folgen und uns darüber zu freuen.“

Neben Harding sind ihre weiteren Co-Autoren Reza Janalizadeh von der Pennsylvania State University in University Park, Justin Yonker vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland, und D. Megan Gillies von der University of Calgary in Alberta. Kanada.