Eine dichte Schicht aus Molekülen und elektrisch geladenen Teilchen, die als Ionosphäre bezeichnet wird, hängt in der oberen Erdatmosphäre, beginnend bei etwa 60 Kilometern über der Planetenoberfläche und erstreckt sich über 1.000 Kilometer. Sonnenstrahlung, die von oben in der atmosphärischen Schicht suspendierten Buffetpartikeln kommt. Funksignale von unten werden von der Ionosphäre zurück zu Instrumenten am Boden reflektiert. Wo sich die Ionosphäre mit Magnetfeldern überlappt, bricht der Himmel in brillanten Lichtanzeigen aus, die unglaublich anzusehen sind.
Wo ist die Ionosphäre?
Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren unterschiedlichen Schichten, darunter die Mesosphäre, die 50 km hoch beginnt, und die Thermosphäre, die 85 km hoch beginnt. Die Ionosphäre besteht aus drei Abschnitten innerhalb der Mesosphäre und der Thermosphäre, die laut UCAR Center for Science Education als D-, E- und F-Schichten bezeichnet werden.
Extreme ultraviolette Strahlung und Röntgenstrahlen der Sonne bombardieren diese oberen Bereiche der Atmosphäre und treffen auf die Atome und Moleküle, die in diesen Schichten enthalten sind. Die starke Strahlung entfernt negativ geladene Elektronen von den Partikeln und verändert die elektrische Ladung dieser Partikel. Die resultierende Wolke aus freien Elektronen und geladenen Teilchen, Ionen genannt, führte zum Namen "Ionosphäre". Das ionisierte Gas oder Plasma mischt sich mit der dichteren, neutralen Atmosphäre.
Die Konzentration der Ionen in der Ionosphäre variiert mit der Menge der Sonnenstrahlung, die auf die Erde fällt. Die Ionosphäre wächst tagsüber dicht mit geladenen Teilchen, aber diese Dichte lässt nachts nach, wenn geladene Teilchen mit verdrängten Elektronen rekombinieren. Laut NASA erscheinen und verschwinden während dieses täglichen Zyklus ganze Schichten der Ionosphäre. Die Sonnenstrahlung schwankt auch über einen Zeitraum von 11 Jahren, was bedeutet, dass die Sonne je nach Jahr mehr oder weniger Strahlung abgeben kann.
Explosive Sonneneruptionen und Windböen führen zu plötzlichen Veränderungen in der Ionosphäre und verbinden sich mit Höhenwinden und Unwettersystemen, die sich auf der Erde unten zusammenbrauen.
Erhelle den Himmel
Die sengende Oberfläche der Sonne stößt Ströme hoch geladener Teilchen aus, die als Sonnenwind bezeichnet werden. Laut dem Marshall Space Flight Center der NASA fliegt Sonnenwind mit einer Geschwindigkeit von 40 km / s durch den Weltraum. Beim Erreichen des Erdmagnetfeldes und der darunter liegenden Ionosphäre lösten Sonnenwinde am Nachthimmel eine bunte chemische Reaktion aus, die als Aurora bezeichnet wird.
Wenn Sonnenwinde über die Erde peitschen, bleibt der Planet hinter seinem Magnetfeld, auch als Magnetosphäre bekannt, abgeschirmt. Die Magnetosphäre wird durch das Aufwirbeln von geschmolzenem Eisen im Erdkern erzeugt und sendet Sonnenstrahlung auf beide Pole zu. Dort kollidieren die geladenen Teilchen mit Chemikalien, die in der Ionosphäre wirbeln, und erzeugen die faszinierenden Auroren.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das Magnetfeld der Sonne das schwächere der Erde zerquetscht und die Auroren in Richtung der Nachtseite des Planeten verschiebt, wie von Popular Mechanics berichtet.
In der Nähe der arktischen und antarktischen Kreise streifen laut National Geographic jede Nacht Auroren über den Himmel. Die bunten Lichtvorhänge, bekannt als Aurora Borealis bzw. Aurora Australis, hängen etwa 1.000 km über der Erdoberfläche. Die Auroren leuchten grün-gelb, wenn Ionen auf Sauerstoffpartikel in der unteren Ionosphäre treffen. An den Rändern der Auroren blüht oft rötliches Licht, und am Nachthimmel erscheinen auch Purpur und Blau, obwohl dies selten vorkommt.
"Die Ursache der Aurora ist etwas bekannt, aber nicht vollständig geklärt", sagte Toshi Nishimura, Geophysiker an der Boston University. "Zum Beispiel ist es immer noch ein Rätsel, was eine bestimmte Art von Aurora-Farbe wie Lila verursacht."
Wer ist Steve?
Neben Auroren finden in der Ionosphäre auch andere beeindruckende Lichtshows statt.
Im Jahr 2016 entdeckten Bürgerwissenschaftler ein besonders auffälliges Phänomen, das die Wissenschaftler nur schwer erklären konnten, berichtete die Live Science-Schwesterseite Space.com zuvor. Helle Flüsse aus weißem und rosafarbenem Licht flossen über Kanada, das weiter südlich liegt als die meisten Auroren. Gelegentlich kamen grüne Striche hinzu. Die mysteriösen Lichter wurden Steve als Hommage an den Animationsfilm "Over the Hedge" genannt und später in "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" umbenannt - kurz STEVE.
"Wir studieren die Aurora seit Hunderten von Jahren und konnten und können immer noch nicht erklären, was Steve ist", sagte Gareth Perry, ein Weltraumwetterwissenschaftler am New Jersey Institute of Technology. "Es ist interessant, weil seine Emissionen und Eigenschaften anders sind als alles andere, was wir zumindest bei der Optik in der Ionosphäre beobachten."
Laut einer Studie aus dem Jahr 2019 in der Zeitschrift Geophysical Research Letters können sich die grünen Streifen in STEVE ähnlich entwickeln wie traditionelle Auroren, wenn geladene Teilchen auf die Atmosphäre regnen. In STEVE scheint der Lichtfluss jedoch zu leuchten, wenn Partikel in der Ionosphäre kollidieren und untereinander Wärme erzeugen.
Kommunikation und Navigation
Obwohl Reaktionen in der Ionosphäre den Himmel mit brillanten Farbtönen färben, können sie auch Funksignale stören, Navigationssysteme stören und manchmal weit verbreitete Stromausfälle verursachen.
Die Ionosphäre reflektiert Funkübertragungen unter 10 Megahertz, sodass Militär, Fluggesellschaften und Wissenschaftler Radar- und Kommunikationssysteme über große Entfernungen miteinander verbinden können. Diese Systeme funktionieren am besten, wenn die Ionosphäre glatt wie ein Spiegel ist, sie können jedoch durch Unregelmäßigkeiten im Plasma gestört werden. GPS-Übertragungen passieren die Ionosphäre und weisen daher die gleichen Schwachstellen auf.
"Während großer geomagnetischer Stürme oder Weltraumwetterereignisse können Strömungen andere Strömungen im Boden, in Stromnetzen, Rohrleitungen usw. induzieren und Chaos anrichten", sagte Perry. Ein solcher Sonnensturm verursachte 1989 den berühmten Stromausfall in Quebec. "Dreißig Jahre später sind unsere elektrischen Systeme immer noch anfällig für solche Ereignisse."
Wissenschaftler untersuchen die Ionosphäre mithilfe von Radargeräten, Kameras, satellitengebundenen Instrumenten und Computermodellen, um die physikalische und chemische Dynamik der Region besser zu verstehen. Mit diesem Wissen wollen sie Störungen in der Ionosphäre besser vorhersagen und Probleme verhindern, die am Boden darunter auftreten können.
