NASA GOLD的“鸟眼”揭示了地球与太空界面的神秘动力学

地球上层大气中的气辉

地球上层大气的形成过程产生了明亮的色带,被称为气辉,如图所示,这是一张从国际空间站拍摄的照片。来源:美国国家航空航天局

新研究使用的数据来自">美国国家航空航天局“地球边缘与圆盘”(GOLD)的全球尺度观测任务,揭示了地球赤道带带电粒子带的意外行为——这可能是由GOLD的长期全球视野造成的,这是此类测量的首次。

“黄金”处于地球同步轨道,这意味着它以与地球相同的速度绕地球运行,并“盘旋”在地球上空的同一地点。这使得GOLD能够观察同一区域在经度和纬度上随时间的变化,这是大多数研究高层大气的卫星做不到的。

“由于GOLD位于地球同步卫星上,我们可以捕捉到这些动态的2D时间演化,”科罗拉多州博尔德(Boulder)高海拔天文台(High Altitude Observatory)研究员蔡旭光博士(Dr. Xuguang Cai)说。他是一篇新研究论文的主要作者。

黄金侧重于地球高层大气的部分,从大楼伸展到高度约50到400英里,包括称为热圈的中性层和构成电离层的电荷粒子。与地球大部分大气中的中性颗粒不同,电离层的带电粒子通过大气和近地空空间响应电磁场和磁场。但由于充电和中性颗粒混合在一起,影响一个人口的东西也会影响另一个人口。

美国宇航局的黄金的任务

美国国家航空航天局的GOLD任务(global scale Observations of the Limb and Disk的缩写)在地球大气中夜间形成的带电粒子双带之一中发现了令人惊讶的不对称运动。戈尔德独特的视角(右图)使这一观测成为可能,因为其他类型的地面仪器测量(左图)无法看到开放水域上发生的变化。红点显示的是地面传感器测量的电子总含量的电子带的峰值,而黑点显示的是GOLD测量的电子带的峰值。在可视化接近尾声时,测量到的峰出现在不同的地方。图片来源:美国宇航局科学可视化工作室

这意味着电离层和上层大气是由许多复杂因素形成的,包括空间天气条件——如由太阳驱动的地磁风暴——和地球天气。这些区域还充当了我们许多通讯和导航信号的高速公路。电离层密度和组成的变化会混淆通过的信号,比如无线电和GPS。

从其在地球静止轨道的商业通信卫星上的VANTAGE点,黄金每30分钟就会大约每30分钟对电离层的观察。这个前所未有的鸟瞰图是将科学家提供新的见解,以如何改变该地区的变化。

神秘的运动

夜间电离层最显著的特征之一是地球磁赤道两侧的密集带电粒子双带。这些带被称为赤道电离异常(EIA),其大小、形状和强度会根据电离层的条件而变化。

这些带还可以移动位置。到目前为止,科学家们一直依靠经过该地区的卫星捕捉到的数据,通过几个月的平均测量,来看看这些波段在长期内可能如何变化。但短期变化更难追踪。

在GOLD出现之前,科学家们怀疑,在这些波段中发生的任何快速变化都是对称的。如果北频段向北移动,南频段就会作镜像向南移动。然而,2018年11月的一个晚上,GOLD观测到的情况挑战了这一观点:南部的粒子带向南漂移,而北部的粒子带保持稳定——这一切都在不到两个小时的时间内发生。


赤道附近地球磁场的形状(在数据可视化中以橙色线表示)驱使带电粒子(蓝色)远离赤道,在赤道的南北两侧形成了两个密集的带状区域,称为赤道电离异常。图片来源:美国宇航局科学可视化工作室

这不是科学家们第一次看到这样的光带运动,但这一较短的事件——只有大约两个小时,而之前看到的更典型的6到8小时——是第一次看到,而且只能由GOLD观测到。2020年12月29日发表的一篇论文概述了这些观察结果地球物理研究杂志:空间物理

这些带的对称漂移是由于上升的空气拖着带电粒子而造成的。随着夜幕降临,气温下降,温暖的空气团向上涌。在这些温暖的空气中携带的带电粒子被磁力线束缚,而对于那些靠近地球磁赤道的气团来说,地球磁场的形状意味着向上的运动也推动带电粒子水平运动。这就造成了两个带电粒子带南北方向的对称漂移。

GOLD观测到的不对称漂移的确切原因仍然是一个谜——尽管蔡怀疑答案在于电离层中电子运动的许多因素的某种组合:持续的化学反应、电场和吹过该区域的高空风。

尽管这些发现令人惊讶,但它们可以帮助科学家深入电离层的幕后,更好地了解电离层变化的驱动因素。由于不可能通过卫星或地面传感器观察到每一个过程,科学家们严重依赖计算机模型来研究电离层,就像帮助气象学家预测地面天气的模型一样。为了创建这些模拟,科学家们将他们怀疑的潜在物理现象编码,并将模型的预测与观测数据进行比较。

在黄金探测之前,科学家从偶尔经过的卫星和有限的地面观测中获得这些数据。现在,“黄金”为科学家们提供了一个鸟瞰图。

参考文献:“GOLD任务对南美地区日落后OI 135.6 nm辐射增强的观测”,蔡旭光,Alan G. Burns, Wenbin Wang, Liying Qian, Jing Liu, Stanley C. Solomon, Richard W. Eastes, Robert E. Daniell, Carlos R. Martinis, William E. McClintock和Inez S. Batista, 12月29日202,地球物理研究杂志:空间物理
ja028108 DOI: 10.1029/2020

第一个发表评论美国宇航局黄金号的鸟眼揭示了地球与太空界面的神秘动力学

留下你的评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。