Bilim insanları atmosferde beklenmedik X ve C şeklinde yapılar tespit etti

Bilim insanları atmosferde beklenmedik X ve C şeklinde yapılar tespit ettiler. Bunları açıklamakta zorlanıyorlar

Her gün, önemli iletişim ve navigasyon uydularından gelen radyo sinyalleri, iyonosfer olarak bilinen Dünya atmosferinin bir katmanından serbestçe geçer.

Başımızın 80 ila 643 kilometre (50 ila 400 mil) üzerinde, bazı iletişim uydularının yörüngede olduğu uzayın en alçak noktalarının hemen altında yüzen, üst atmosferdeki bu bölge aynı zamanda pek çok çözülmemiş bulmacaya da ev sahipliği yapıyor. 
Bunlardan biri de, gezegenimizdeki yaşamın sorunsuz bir şekilde devam etmesi için radyo sinyallerinin yaptığı her şeyi engelleme potansiyeline sahip alfabetik bir bulmaca.

Gökbilimciler, bir süredir, Güneş fırtınalarından sonra iyonosferin plazmasında (yüklü parçacıklardan oluşan bir deniz) X şeklinde tepe benzeri oluşumların ortaya çıkabileceğini biliyorlardı .

Volkanik olaylar ve Dünya'daki aşırı hava koşulları da bu fenomene neden olabilir. Ocak 2022'deki Hunga Tonga-Hunga Ha'apai patlaması gibi büyük patlamalar , uzaya bile ulaşan parçacıkları Dünya atmosferine fırlatır. Gök gürültülü fırtınalar ve kasırgalar, iyonosfere giden basınç dalgaları oluşturabilir.

Bu arada, bu aktif dönemlerde, geceleri, güneş ışınlarının çok güçlü olmadığı zamanlarda, iyonosferde düşük yoğunluklu kabarcıklar ortaya çıkar.

Uydu verileri iyonosferde meydana gelen olayların tam resmini her zaman yakalayamadı, ancak NASA'nın GOLD görevi, Batı Yarımküre üzerindeki atmosfer tabakasının uzaydan kuşbakışı görünümünü elde ederek, farklı faktörlerin iyonosferde nasıl bozulmalara neden olduğunu ortaya koydu.

Şimdi, GOLD görevi tarafından toplanan verileri inceleyen gökbilimciler, yeni bir araştırmaya göre, şaşırtıcı bir şekilde atmosferik bozulmaların olmadığı "sessiz zamanlarda" ortaya çıkmış gibi görünen X'ler ve daha önce hiç görülmemiş C'ler şeklinde benzer özellikler buldular. Bulgular, alışılmadık yapıların nasıl oluşabileceği ve potansiyel etkileri hakkında bilinenleri altüst ediyor.

NASA'nın Maryland, Greenbelt'teki Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde iyonosferi inceleyen bir araştırma bilim insanı olan Jeffrey Klenzing, görevin verilerinin bilim insanlarının "Dünya atmosferinin ne kadar karmaşık olduğunu" görmelerine yardımcı olduğunu ve iyonosferdeki alfabetik bozulmaların arkasında belirgin bir neden olmasa bile beklenenden daha değişken olduğunu gösterdiğini söyledi.

"Bunun her zaman gerçekleştiğinden şüpheleniyorum," dedi. "Ve aslında sorun, bunun gerçekleştiğini gerçekten görebilmek için yeterli veriye sahip olmamamızdı."

Harf şeklindeki olguyu daha iyi anlamak, bilim insanlarının iyonosfer ile hava durumu arasındaki dinamikleri ve bu etkileşimin Dünya'daki insanlar ve sistemler için nasıl riskler oluşturabileceğini ortaya çıkarmasına yardımcı olabilir.

X şeklinde tepeler

İyonosfer her zaman mükemmel bir şekilde pürüzsüz bir gaz tabakası değildir ve sürekli değişir. Güneş ışığı çarptığında elektriklenir. Güneş radyasyonu, radyo iletişimlerinin uzun mesafeler boyunca seyahat etmesini sağlayan plazmayı oluşturmak için elektronları atomlardan ve moleküllerden ayırır.

Ancak NASA'ya göre, güneş geceleri söndükçe iyonosfer inceliyor ve bir zamanlar yüklü olan parçacıklar yerleşip nötr parçacıklar haline geliyor . Bu, iyonosferde kabarcıkların oluşabileceği zamandır.

Dünya'nın manyetik alan çizgileri, atmosferde serbestçe dolaşan yüklü parçacıkları, ekvatorun kuzeyinde ve güneyinde bulunan sırt adı verilen iki yoğun banda da taşır.

İyonosfer içerisinde farklı şekillere benzeyen tepecikler ve kabarcıklar, yoğunluklarındaki çeşitlilik nedeniyle iletişim ve GPS sinyallerinde parazite neden olabilir.

GOLD veya Uzuv ve Diskin Küresel Ölçekte Gözlemleri görevi, Ocak 2018'de fırlatıldığından beri iyonosferi izliyor. Uydu, gezegenimizin dönüş hızıyla aynı hızda Dünya'nın etrafında dönüyor ve bu sayede uzay aracının Batı Yarımküre üzerinde sürekli bir havada asılı kalmasını sağlıyor.

GOLD, X ve C şeklindeki özelliklerin en belirgin işaretlerini 2019, 2020 ve 2021'de ve beklenmedik yerlerde tespit etti. Kanıtlar, araştırmacıların X'ler ve C'lerin gelecekte iletişim sinyalleri üzerindeki potansiyel etkilerini sorgulamasına neden oluyor.

Nisan ayında Geophysical Research: Space Physics dergisinde yayınlanan X şekilleri hakkındaki çalışmanın baş yazarı Fazlul Laskar, "NASA'nın GOLD görevi, alfabetik şekilleri açıkça gözlemleyen ilk görevdir" dedi .

Colorado Üniversitesi Atmosfer ve Uzay Fiziği Laboratuvarı'nda araştırma görevlisi olan Laskar, "Bu şekiller iyonosferin zaman zaman çok dinamik olabileceğini ve beklenmedik yapılar sergileyebileceğini ortaya koyuyor," diye ekledi. "Ayrıca, alt atmosfer havasının iyonosfer üzerinde muazzam bir etkiye sahip olabileceğini de gösteriyor."

7 Ekim 2019'da iyonosferde parlak, yatay X şeklinde bir yapı gözlemlendi. NASA SVS

Laskar , GOLD'un X'lerin "jeomanyetik sessiz koşullar sırasında" oluştuğuna dair birden fazla örneği gözlemlemesinin - daha önce güneş fırtınaları veya karasal hava koşulları gibi atmosferik bozulmalar sırasında görülmeleri yerine - bilim insanlarına şekillerin oluşumundan sorumlu başka bir mekanizma olması gerektiğini söylediğini söyledi. Çalışmaya göre, bilgisayar modelleri, plazmayı aşağıya doğru çeken alt atmosferdeki değişikliklere olası bir açıklama olarak işaret ediyor.

Klenzing, "X'in (görünümü) tuhaf çünkü çok daha fazla yerelleştirilmiş itici faktör olduğunu ima ediyor," dedi. Nisan ayındaki çalışmada yer almadı. "Bu, aşırı olaylar sırasında bekleniyor, ancak 'sessiz zaman' sırasında görülmesi, alt atmosfer aktivitesinin iyonosferik yapıyı önemli ölçüde yönlendirdiğini gösteriyor."

GOLD'dan yapılan gözlemler, yüklü parçacıkların 7 Ekim 2019'da iyonosferde X şekli oluşturduğunu gösteriyor. 

F. Laskar ve diğerleri.

Daha önce hiç görülmemiş C kabarcıkları

Ayrı olarak GOLD, diğer faktörlerden etkilenebilecek C şeklinde plazma kabarcıkları da gözlemledi.

Tipik olarak, plazma kabarcıkları uzun ve düzdür çünkü Dünya'nın manyetik alan çizgileri boyunca oluşurlar. Ancak kabarcıkların bazıları C'ler veya ters C'ler gibi görünen kavisli şekillere benzer ve bilim insanları bunların Dünya'nın rüzgarları tarafından şekillendirilmiş olabileceğini düşünüyor.

Araştırma modellerine göre, rüzgarlar yükseklikle birlikte artarsa ​​C şekilleri oluşabilirken, rüzgarlar yükseklikle birlikte azalırsa ters C şekilleri oluşabiliyor.

GOLD gözlemleri, 12 Ekim 2020 ve 26 Aralık 2021'de iyonosferde birbirine yakın C şeklinde ve ters C şeklinde plazma kabarcıklarını yakaladı. 

D. Karan ve ark.'nın izniyle.

Klenzing, "Bu, rüzgarlı bir alanda büyüyen bir ağaca benziyor," dedi. "Rüzgarlar genellikle doğuya doğru eserse, ağaç eğilmeye ve o yöne doğru büyümeye başlar."

Ancak GOLD, Kasım 2023'te Journal of Geophysical Research: Space Physics'te yayınlanan bir çalışmaya göre, C şeklinde ve ters C şeklinde plazma kabarcıklarını alışılmadık derecede birbirine yakın, yalnızca yaklaşık 400 mil (644 kilometre) uzaklıkta, yani Baltimore ve Boston arasındaki mesafede gözlemledi .

“Within that close proximity, these two opposite-shaped plasma bubbles had never been thought of, never been imaged,” said Deepak Karan, research scientist at the University of Colorado’s Laboratory for Atmospheric and Space Physics. Karan works on the GOLD mission and is the lead author of the C-shape study and coauthor of the X-shape study.

Tornado-like activity, wind shear or a vortex could be creating turbulence in the atmosphere that causes changing wind patterns in such a small area, Karan said. But they never expected to see such oppositely structured bubbles so close together.

“The fact that we have very different shapes of bubbles this close together tells us that the dynamics of the atmosphere is more complex than we expected,” Klenzing said.

So far, GOLD has only observed two instances of the close pairings, but the C-shaped bubbles have the potential to disrupt communications.

“It’s really important to find out why this is happening,” Karan said. “If a vortex or a very strong shear in the plasma has happened, this will completely distort the plasma over that region. Signals will be lost completely with a strong disturbance like this.”

Karan said these vortices, which can last for hours, resemble tornadoes that occur in Earth’s lower atmosphere, but the puzzle scientists can’t seem to solve is how the structures form in the ionosphere during “quiet time.”

The C-shaped and reverse C-shaped bubbles from October 2020 and December 2021 appear as dark blue features between two bright crests. NASA SVS

“Unraveling the mystery of these plasma bubble formations is not only a scientific curiosity but also of practical importance for mitigating the adverse effects on communication and navigation systems,” he said.

Attempts to understand how the bubbles form so close together with current modeling tools has been unsuccessful, Karan said. It is his hope that by publishing the research and including all possible formation mechanisms, the scientific community can come together to solve the mystery.

A golden trove of data

The GOLD mission is well suited to capture unexpected features in the ionosphere because of its orbit. While previous satellite missions could only capture a small piece of an event in one dimension, GOLD can take multiple images of an event over the course of hours, Laskar said. And he expects even more surprising features to be revealed in GOLD’s data in the future.

“Due to such wide view and continuous measurements, GOLD has allowed us to observe these mysteries within the ionosphere,” Karan said.

He said there are many questions that remain unanswered about this atmospheric layer, such as how changes in the lower atmosphere and solar activity influence the motion of charged particles in the ionosphere.

Güneşin 11 yıllık döngüsünün zirvesine yaklaşması nedeniyle güneş fırtınalarının artabileceğini göz önünde bulundurarak, gökbilimcilerin ayrıca yüklü parçacıkların ani şişmelerinin uydular üzerindeki sürüklenmeyi artırabileceği ve ömürlerini kısaltabileceği için iyonosferin bileşiminin olaylar sırasında nasıl değiştiğini daha iyi anlamak istediklerini belirten Karan, şunları söyledi :

İyonosferde de elektrik akımları aktığını, güneş fırtınaları sırasında elektrik akımında meydana gelen artışın Dünya'daki iletim hatlarına ve topraklama trafolarına zarar verebileceğini söyledi.

10 Mayıs'ta Dünya'yı vuran jeomanyetik fırtına sırasında traktör firması John Deere, hassas tarım için GPS'e güvenen bazı müşterilerinin kesinti yaşadığını bildirdi .

John Deere'de kıdemli ürün müdürü olan Tim Marquis, yaptığı açıklamada, "Tarım sektöründeki en büyük etki GPS yönlendirme sistemlerine odaklandı" dedi. "GPS alıcıları, yörüngedeki bir uydudan gelen bir metronomun ritmi gibi, düzenli aralıklarla bir sinyal alındığında çalışır. Güneş fırtınaları sırasında, bu sinyal yüklü parçacıklardan oluşan bir 'sis'e çarpar ve kaybolabilir. Ve makineler bu parazit nedeniyle tam olarak nerede olduklarını bilemezler."

NASA'nın GOLD verilerine ilişkin bu görselleştirmesi, Dünya'nın iyonosferini ultraviyole ışıkta sergiliyor. NASA SVS

Laskar, 10 Mayıs'taki jeomanyetik fırtına sırasında GOLD verilerinin incelenmesinden elde edilen sonuçların, gökbilimcilerin uzay hava durumu tahmin sistemi geliştirmesine yardımcı olabileceğini söyledi.

"Sahip olmamız gereken bir şey, GPS sinyallerinde ne zaman sorun yaşayacağımızı ve felaketle sonuçlanacak çarpışmaları önlemek için uydu yörüngelerinin ne zaman ayarlanması gerekeceğini bize söyleyebilecek bir uzay hava durumu tahmin sistemidir" dedi.

Dünya'da bir GPS sinyalinin kaybolması sadece daha önce hiç gitmedikleri bir yeri bulmaya çalışan insanlar için can sıkıcı değildir. Navigasyon sinyalleri nakliye, taşımacılık, tarım ve inşaatta da yaygın olarak kullanılır.

Karan, kabarcıklar, tepecikler veya güneş fırtınaları iyonosferdeki plazma dağılımını bozduğunda, atmosfer katmanından geçen radyo sinyallerinin değişebileceğini, kaybolabileceğini veya kaybolabileceğini söyledi.

"Uçaklarda, gemilerde, otomobillerde GPS sinyallerinin aniden kesilmesi nedeniyle hayatı tehdit edici etkiler ortaya çıkabilir ki bunu hayal etmek bile korkutucu" dedi.

GOLD ve gelecekteki görev konseptleri, bilim insanlarının yakın zamanda gözlemlenen X ve C özelliklerinin ardındaki olguları daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir ve hatta bu tür değişiklikleri iyonosferde meydana gelmeden önce tahmin etmelerine bile yardımcı olabilir.

Laskar, "İyonosfer araştırmacılarının karşılaştığı zorluklardan biri, nihayetinde dinamiklerini önceden tahmin edebilmektir," dedi ve ekledi, "böylece GPS sinyalinin kaybolmasına ve uydu iletişimlerindeki kesintilere hazırlıklı olabiliriz."