26 9 月, 2021

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NASA Gold 的鸟瞰图揭示了地球与太空界面的神秘动态

地球高层大气中的过程会产生明亮的颜色区域,称为大气眩光,如从国际空间站拍摄的图像中所见。 信用:美国宇航局

使用数据的新搜索 美国宇航局全球四肢和圆盘观测任务(GOLD)揭示了连接地球赤道的大片带电粒子中的意外行为——这可能要归功于 GOLD 的远距离全球视野,这是此类类型的首创。 从测量。

黄金处于地球静止轨道,这意味着它以与地球相同的速度绕地球运行,并在同一地点“盘旋”。 这使得 GOLD 能够看到同一区域的经纬度随时间的变化,这是大多数研究高层大气的卫星无法做到的。

“由于 GOLD 位于地球同步卫星上,我们可以捕捉到这些动力学的二维时间演变,”科罗拉多州博尔德高空天文台的研究员、一篇新研究论文的第一作者徐旭光博士说。

GOLD 专注于地球上层大气从大约 50 到 400 英里的高度延伸的部分,包括称为热层的中性层和构成电离层的带电粒子。 与地球大部分大气中的中性粒子不同,电离层中的带电粒子会对穿过大气层和近地空间的电场和磁场做出反应。 但是因为带电粒子和中性粒子混合在一起,影响一个群体的东西也会影响另一个群体。

美国宇航局的黄金任务

NASA 的 GOLD 任务 – 全球尖端和圆盘尺度观测的首字母缩写 – 发现夜间地球大气层中形成的双带带电粒子之一突然发生不对称运动。 GOLD 的独特视角(右侧)使这种观察成为可能,因为由地面仪器(左侧)进行的其他类型的测量无法看到开阔水域的变化。 红点显示由测量总电子含量的地面传感器测量的电子带峰,而黑点显示由 GOLD 测量的电子带峰。 在可视化结束时,测量的峰值出现在不同的位置。 图片来源:NASA 的科学可视化工作室

这意味着电离层和高层大气是由复杂的因素组合形成的,包括空间天气条件——例如由太阳驱动的地磁风暴——和陆地天气。 这些地区还作为我们许多通信和导航信号的高速公路。 电离层密度和成分的变化会使通过它的信号(例如无线电和 GPS)失真。

从地球静止轨道商业通信卫星的有利位置,GOLD 大约每 30 分钟对电离层进行一次半球级观测。 这种前所未有的观点让科学家们对这个地区的变化有了新的认识。

神秘运动

夜间电离层最显着的特征之一是地球磁赤道两侧的双带密集带电粒子。 这些带——称为赤道电离异常或 EIA——可以根据电离层的条件在大小、形状和强度上发生变化。

乐队也可以移动他们的位置。 到目前为止,科学家们依靠通过该地区的卫星捕获的数据,对数月的测量结果进行平均,以了解从长远来看范围可能会如何变化。 但短期变化更难以追踪。

在 GOLD 出现之前,科学家们怀疑波段的任何快速变化都是对称的。 如果北带向北移动,则南带向南反向移动。 2018 年 11 月的一个晚上,GOLD 看到了一些挑战这个想法的东西:南部的粒子带向南漂移,而北部的粒子带保持稳定——所有这些都在不到两个小时的时间内完成。

赤道附近的地球磁场形状(在此数据可视化中由橙色线表示)将带电粒子(蓝色)推离赤道,在赤道以北和以南形成两个密集带,称为赤道离子异常。 图片来源:NASA 的科学可视化工作室

这不是科学家第一次看到这些带以这种方式移动,但是这个较短的事件——只有大约两个小时,与之前看到的更典型的 6 到 8 个小时的两个小时相比——是第一次看到,并且可能之前只观察到过。黄金。 这些说明在 2020 年 12 月 29 日发表的一篇论文中进行了概述,网址为 地球物理研究杂志:空间物理.

这些带的对称漂移是由于空气的高度将带电粒子与它一起拉动而发生的。 随着夜幕降临,气温变凉,暖空气上升。 这些较暖气袋中携带的带电粒子通过磁场线连接,对于靠近地球磁赤道的那些气袋,地球磁场的形状意味着向上运动也会水平推动带电粒子。 这产生了两条带电粒子带的对称南北漂移。

GOLD观察到的不对称像差的确切原因仍然是个谜——尽管蔡怀疑答案在于塑造电离层中电子运动的许多因素的综合作用:持续的化学反应、电场和高空吹来的风在该区域。

不过令人惊讶的是,这些发现可以帮助科学家们了解电离层的幕后情况,并更好地了解是什么驱动了它的变化。 由于不可能使用卫星或地面传感器来监控每个过程,因此科学家们严重依赖计算机模型来研究电离层,例如帮助气象学家预测地球天气的模型。 为了创建这种模拟,科学家们对他们怀疑是工作中的基础物理学进行编码,并将模型的预测与观察到的数据进行比较。

在 GOLD 之前,科学家们从偶尔经过的卫星和有限的地面观测中获得了这些数据。 现在,GOLD 正在为科学家们提供全面的概述。

参考文献:“黄金探险队对南美洲日落后 OI 135.6 nm 辐射增强的观测”作者:Xuguang Cai、Alan G. Burns、Wenbin Wang、Liying Qian、Jing Liu、Stanley C. Solomon、Richard W. Eastes、Robert E. Danielle、Carlos R. Martins、William E. McClintock 和 Inez S. Batista,202 年 12 月 29 日,可在此处获得。 地球物理研究杂志:空间物理.
doi: 10.1029/ 2020JA028108

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