과학자들은 대기에서 예상치 못한 X자 및 C자 모양의 구조를 발견했습니다. 그들은 설명하느라 애쓰고 있어요
애슐리 스트릭랜드, CNN
2024년 8월 3일 토요일 오전 4:22 AEST·10분 읽기

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매일 주요 통신 및 항법 위성의 무선 신호는 전리층이라고 알려진 지구 대기층을 통해 자유롭게 이동합니다.

우리 머리 위 50~400마일(80~643km) 높이, 일부 통신 위성이 공전하는 우주의 가장 낮은 곳 바로 아래에 떠 있는 상층 대기의 이 구역에는 알파벳 모양의 퍼즐을 포함하여 많은 미해결 퍼즐이 있습니다. 지구상의 생명체가 원활하게 운영되도록 하기 위해 무선 신호가 수행하는 모든 활동을 방해할 수 있는 잠재력이 있습니다.

천문학자들은 태양폭풍이 발생한 후 전리층의 플라즈마(하전된 입자의 바다)에 X자 모양의 볏이 나타날 수 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다.

화산 활동과 지구상의 극단적인 날씨도 이 현상을 일으킬 수 있습니다. 2022년 1월 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 폭발과 같은 거대한 폭발은 입자를 지구 대기권으로 밀어 올려 우주까지 도달합니다. 뇌우와 허리케인은 전리층으로 향하는 압력파를 생성할 수 있습니다.

한편, 이러한 활동 기간 동안 태양 복사가 그다지 강하지 않은 밤에는 전리층에 저밀도 기포가 나타나는 시기이기도 합니다.

위성 데이터가 전리층에서 일어나는 일에 대한 전체 그림을 항상 포착할 수는 없었지만 NASA의 GOLD 임무는 우주에서 서반구 대기층을 조감하여 다양한 요인이 전리층에 교란을 일으키는 방법을 보여줍니다. .

새로운 연구에 따르면, 이제 GOLD 임무로 수집된 데이터를 조사하는 천문학자들은 놀랍게도 대기 교란이 없었던 “조용한 시간”에 나타나는 것으로 보이는 X 및 이전에 볼 수 없었던 C와 같은 유사한 특징을 발견했습니다. 이번 발견은 특이한 구조가 어떻게 형성될 수 있는지와 그 잠재적 영향에 대해 알려진 내용을 뒤집고 있습니다.

연구 과학자인 제프리 클렌징(Jeffrey Klenzing)은 이번 임무의 데이터를 통해 과학자들이 “지구 대기가 얼마나 복잡한지” 알 수 있으며, 전리층에서 알파벳 모양의 교란 뒤에 뚜렷한 원인이 없는 경우에도 지구 대기가 예상보다 더 다양하다는 사실을 보여주고 있다고 말했습니다. 메릴랜드 주 그린벨트에 있는 NASA의 고다드 우주 비행 센터에서 전리층을 연구하는 사람입니다.

“나는 그런 일이 항상 일어나고 있다고 의심합니다”라고 그는 말했습니다. “그리고 실제로 문제는 기본적으로 그런 일이 일어나고 있는지 실제로 확인할 수 있는 충분한 데이터가 없다는 것입니다.”

문자 모양의 현상을 더 잘 이해하면 과학자들이 전리층과 날씨 사이의 역학 관계를 밝히고 상호 작용이 지구상의 사람과 시스템에 어떻게 위험을 초래할 수 있는지 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.

X자 모양의 문장
전리층은 항상 완벽하게 매끄러운 가스층은 아니며 끊임없이 변화합니다. 햇빛이 닿으면 전기가 통하게 됩니다. 태양 복사는 원자와 분자에서 전자를 떨어뜨려 플라즈마를 생성하여 무선 통신이 장거리 이동을 가능하게 합니다.

그러나 NASA에 따르면 밤에 태양이 사라지면 전리층이 얇아지고 한때 전하를 띠었던 입자가 안정되어 중성 입자가 된다고 합니다. 이때 전리층에 기포가 형성될 수 있습니다.

지구의 자기장선은 또한 대기 중에 자유롭게 떠다니는 하전 입자를 적도의 볏이라고 알려진 두 개의 밀집된 띠인 적도 북쪽과 남쪽으로 운반합니다.

밀도가 다양하기 때문에 전리층 내에서 서로 다른 모양을 닮은 볏과 거품은 통신 및 GPS 신호에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

GOLD 또는 사지 및 디스크의 글로벌 규모 관찰 임무는 2018년 1월 발사된 이후 전리층을 모니터링해 왔습니다. 위성은 지구가 회전하는 것과 동일한 속도로 지구 주위를 빠르게 회전하여 우주선이 일정한 호버링을 유지할 수 있도록 합니다. 서반구에 걸쳐.

GOLD는 2019년, 2020년, 2021년에 예상치 못한 곳에서 X자형과 C자형 특징의 가장 명확한 징후를 발견했습니다. 이러한 증거로 인해 연구자들은 미래에 X와 C가 통신 신호에 미치는 잠재적인 영향에 대해 의문을 제기하게 되었습니다.

지구물리학 연구 저널: 우주 물리학(Journal of Geophysical Research: Space Physics)에 게재된 X 모양에 대한 4월 연구의 주요 저자인 Fazlul Laskar는 “NASA의 GOLD 임무는 알파벳 모양을 명확하게 관찰한 최초의 임무입니다.”라고 말했습니다.

“이러한 모양은 전리층이 때때로 예상치 못한 구조를 나타내면서 매우 역동적일 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 콜로라도 대학교 대기 및 우주 물리학 연구소의 연구원인 Laskar는 덧붙였습니다. “또한 낮은 대기 날씨가 전리층에 막대한 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.”

GOLD는 태양 폭풍이나 지상 기상과 같은 대기 교란이 아닌 “지자기의 조용한 조건에서” 형성되는 X의 여러 인스턴스를 관찰합니다.

이전에 본 — 이제는 과학자들에게 모양을 형성하는 데 다른 메커니즘이 있어야 한다고 말해준다고 Laskar는 말했습니다. 연구에 따르면 컴퓨터 모델은 플라즈마를 아래로 끌어당기는 하층 대기의 변화를 가능한 설명으로 지적합니다.

Klenzing은 “X의 모양은 훨씬 더 국부적인 운전 요인이 있음을 의미하기 때문에 이상합니다.”라고 말했습니다. 그는 4월 연구에 참여하지 않았습니다. “이것은 극한 현상 중에 예상되지만 ‘조용한 시간’에 관찰되는 것은 낮은 대기 활동이 전리층 구조를 크게 촉진하고 있음을 시사합니다.”

GOLD의 관측에 따르면 2019년 10월 7일 전리층에서 X 모양을 형성하는 하전 입자가 나타났습니다. – F. Laskar 외.
GOLD의 관측에 따르면 2019년 10월 7일 전리층에서 X 모양을 형성하는 하전 입자가 나타났습니다. – F. Laskar 외.
지금까지 본 적 없는 C버블
이와 별도로 GOLD는 다른 요인의 영향을 받을 수 있는 C자형 플라즈마 버블도 관찰했습니다.

일반적으로 플라즈마 버블은 지구의 자기장 선을 따라 형성되기 때문에 길고 직선입니다. 그러나 일부 거품은 Cs 또는 역Cs처럼 보이는 곡선 모양과 유사하며 과학자들은 이것이 지구의 바람에 의해 형성될 수 있다고 생각합니다.

연구 모델에 따르면 고도에 따라 바람이 증가하면 C 모양이 형성될 수 있지만, 고도에 따라 바람이 감소하면 역C 모양이 형성될 수 있습니다.

GOLD 관측은 2020년 10월 12일과 2021년 12월 26일에 전리층에서 서로 가까이 있는 C자형 및 역C자형 플라즈마 기포를 포착했습니다. – Courtesy D. Karan et al.
GOLD 관측은 2020년 10월 12일과 2021년 12월 26일에 전리층에서 서로 가깝게 C자형 및 역C자형 플라즈마 기포를 포착했습니다. – Courtesy D. Karan et al.
Klenzing은 “바람이 많이 부는 지역에서 자라는 나무와 조금 비슷합니다.”라고 말했습니다. “바람이 일반적으로 동쪽으로 불면 나무는 그 방향으로 기울어지고 자라기 시작합니다.”

그러나 지구물리학 연구 저널(Journal of Geophysical Research)에 발표된 2023년 11월 연구에 따르면 GOLD는 C자 모양과 역C자 모양의 플라즈마 버블이 서로 비정상적으로 가깝고 약 400마일(644km) 떨어져 있거나 볼티모어와 보스턴 사이의 거리 정도인 것을 관찰했습니다. 우주 물리학.

콜로라도대학교 대기우주물리학연구소의 연구원인 디팩 카란(Deepak Karan)은 “이렇게 가까운 거리에 있는 두 개의 반대 모양의 플라즈마 버블은 생각한 적도, 이미지화한 적도 없습니다.”라고 말했습니다. Karan은 GOLD 임무를 수행하고 있으며 C자형 연구의 수석 저자이자 X자형 연구의 공동저자입니다.

토네이도 같은 활동, 바람 전단 또는 소용돌이는 대기에 난류를 만들어 작은 지역에서 바람 패턴을 변화시킬 수 있다고 Karan은 말했습니다. 그러나 그들은 이렇게 서로 반대되는 구조의 거품이 이렇게 가까이 있을 것이라고는 결코 예상하지 못했습니다.

Klenzing은 “이렇게 서로 매우 다른 모양의 거품이 있다는 사실은 대기의 역학이 우리가 예상했던 것보다 더 복잡하다는 것을 말해줍니다.”라고 말했습니다.

지금까지 GOLD는 긴밀한 페어링 사례를 두 번만 관찰했지만 C자 모양의 거품은 통신을 방해할 가능성이 있습니다.

Karan은 “이런 일이 왜 일어나는지 알아내는 것이 정말 중요합니다.”라고 말했습니다. “플라즈마에 소용돌이나 매우 강한 전단이 발생하면 이로 인해 해당 지역의 플라즈마가 완전히 왜곡됩니다. 이렇게 강한 교란이 발생하면 신호가 완전히 손실됩니다.”

Karan은 몇 시간 동안 지속될 수 있는 이러한 소용돌이가 지구의 낮은 대기권에서 발생하는 토네이도와 유사하다고 말했습니다. 그러나 과학자들이 풀 수 없는 퍼즐은 “조용한 시간” 동안 전리층에서 구조가 어떻게 형성되는지입니다.

“이러한 플라즈마 기포 형성의 미스터리를 푸는 것은 과학적 호기심일 뿐만 아니라 통신 및 항법 시스템에 대한 부작용을 완화하는 데 실질적으로 중요합니다.”라고 그는 말했습니다.

Karan은 현재의 모델링 도구를 사용하여 거품이 어떻게 그렇게 가깝게 형성되는지 이해하려는 시도가 성공하지 못했다고 말했습니다. 연구 결과를 발표하고 가능한 모든 형성 메커니즘을 포함함으로써 과학계가 함께 모여 미스터리를 풀 수 있기를 희망합니다.

황금빛 데이터 저장소
GOLD 임무는 궤도 때문에 전리층에서 예상치 못한 특징을 포착하는 데 매우 적합합니다. 이전 위성 임무는 한 차원에서 이벤트의 작은 부분만 캡처할 수 있었지만 GOLD는 몇 시간 동안 이벤트의 여러 이미지를 캡처할 수 있다고 Laskar는 말했습니다. 그리고 그는 앞으로 GOLD의 데이터에서 더욱 놀라운 특징이 드러날 것으로 기대하고 있습니다.

Karan은 “이렇게 넓은 시야와 지속적인 측정 덕분에 GOLD를 통해 우리는 전리층 내에서 이러한 신비를 관찰할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

그는 낮은 대기와 태양 활동의 변화가 전리층에서 하전 입자의 움직임에 어떻게 영향을 미치는지와 같이 이 대기층에 대해 아직 답을 얻지 못한 많은 질문이 있다고 말했습니다.

태양이 태양 최대치라고 불리는 11년 주기의 정점에 접근하기 때문에 태양 폭풍이 증가할 수 있다는 점을 감안할 때, 천문학자들은 전리층의 구성이 어떻게 변하는지 더 잘 이해하고 싶어합니다.

Karan은 하전 입자의 갑작스러운 팽창이 위성의 항력을 증가시키고 수명을 단축시킬 수 있기 때문에 이벤트 기간 동안에 발생한다고 말했습니다.

전리층에도 전류가 흐르고 있으며, 태양폭풍 동안 전류의 증가는 지구상의 송전선과 접지 변압기를 손상시킬 수 있다고 그는 말했습니다.

5월 10일 지구를 강타한 지자기 폭풍 동안 트랙터 회사인 John Deere는 정밀 농업을 위해 GPS에 의존하는 일부 고객이 중단을 경험했다고 보고했습니다.

John Deere의 수석 제품 관리자인 Tim Marquis는 성명에서 “GPS 안내 시스템을 중심으로 농업 산업에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.”라고 말했습니다. “GPS 수신기는 궤도에 있는 위성으로부터 메트로놈의 박자처럼 규칙적인 간격으로 신호가 수신될 때 작동합니다. 태양 폭풍이 발생하는 동안 해당 신호는 하전 입자의 ‘안개’에 부딪혀 손실될 수 있습니다. 그리고 기계는 이러한 간섭으로 인해 자신이 어디에 있는지 정확하게 알 수 없습니다.”

5월 10일 지자기 폭풍 동안 GOLD 데이터에 대한 연구 결과가 보류 중이면 천문학자들이 우주 기상 예측 시스템을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 Laskar는 말했습니다.

“우리에게 필요한 것 중 하나는 GPS 신호에 문제가 생길 때와 치명적인 충돌을 피하기 위해 위성 궤도를 조정해야 할 때를 알려줄 수 있는 우주 기상 예측 시스템입니다.”라고 그는 말했습니다.

지구상에서 GPS 신호를 잃는 것은 한 번도 가본 적 없는 장소를 찾으려는 사람들에게만 짜증나는 일이 아닙니다. 내비게이션 신호는 운송, 운송, 농업 및 건설 분야에서도 널리 사용됩니다.

거품, 볏 또는 태양 폭풍이 전리층의 플라즈마 분포를 방해하면 대기층을 통과하는 무선 신호가 변경되거나 손실되거나 사라질 수 있다고 Karan은 말했습니다.

그는 “항공기, 선박, 자동차의 GPS 신호가 갑자기 손실되어 생명을 위협하는 영향이 있을 수 있으며 이는 상상조차 하기 싫다”고 말했다.

GOLD와 미래 임무 개념은 과학자들이 최근 관찰된 X 및 C 특징 뒤에 작용하는 현상을 더 잘 이해하고 전리층에서 이러한 변화가 발생하기 전에 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Laskar는 “전리층 연구자들의 과제 중 하나는 궁극적으로 전리층의 역학을 사전에 예측할 수 있게 되어 GPS 신호 손실과 위성 통신 중단에 대비할 수 있게 되는 것입니다.”라고 말했습니다.

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Scientists have spotted unexpected X- and C-shaped structures in the atmosphere. They are struggling to explain them

Ashley Strickland, CNN

Sat 3 August 2024 at 4:22 am AEST·10-min read

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Each day, radio signals from key communications and navigation satellites travel freely through a layer of Earth’s atmosphere known as the ionosphere.

Floating 50 to 400 miles (80 to 643 kilometers) above our heads, directly beneath the lowest reaches of space where some communications satellites orbit, this zone in the upper atmosphere is also home to many unsolved puzzles — including an alphabet-shaped one that has the potential to thwart all that those radio signals do to keep life on our planet running smoothly.

Astronomers have known for some time that X-shaped crestlike formations can appear in the ionosphere’s plasma — a sea of charged particles — after solar storms.

Volcanic events and extreme weather on Earth can also cause the phenomenon. Huge eruptions, such as the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption in January 2022, loft particles into Earth’s atmosphere that even reach space. Thunderstorms and hurricanes can create pressure waves that find their way to the ionosphere.

Meanwhile, at night during these active periods, when the sun’s radiation isn’t as strong, is also when low-density bubbles appear in the ionosphere.

Satellite data hasn’t always been able to capture the full picture of what’s occurring in the ionosphere, but NASA’s GOLD mission has a bird’s-eye view of the atmospheric layer over the Western Hemisphere from space, revealing how different factors cause disturbances in the ionosphere.

Now, astronomers looking at data collected by the GOLD mission have found similar features shaped like Xs and never-before-seen Cs that surprisingly seem to have appeared during “quiet times” when there were no atmospheric disturbances, according to new research. The findings are upending what’s known about how the unusual structures might form and their potential impacts.

The mission’s data is helping scientists to see “how complex Earth’s atmosphere is” while showing that it’s more variable than expected, even when there isn’t an obvious cause behind the alphabet-shaped disturbances in the ionosphere, said Jeffrey Klenzing, a research scientist who studies the ionosphere at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

“I would suspect that it’s always been happening,” he said. “And really the issue has basically been that we haven’t had enough data to really see that it is happening.”

Gaining a better understanding of the letter-shaped phenomena may help scientists unlock the dynamics between the ionosphere and weather — and how the interplay may pose risks to people and systems on Earth.

X-shaped crests

The ionosphere is not always a perfectly smooth layer of gas, and it’s constantly changing. It becomes electrified when sunlight hits it. Solar radiation knocks electrons off atoms and molecules to create plasma that allows radio communications to travel over long distances.

But as the sun fades away at night, the ionosphere thins out and the once-charged particles settle down and become neutral particles, according to NASA. This is when bubbles can form in the ionosphere.

Earth’s magnetic field lines also carry charged particles free-floating in the atmosphere to two dense bands north and south of the equator that are known as crests.

Given their various densities, crests and bubbles resembling different shapes within the ionosphere can cause interference with communication and GPS signals.

The GOLD, or Global-scale Observations of the Limb and Disk, mission has been monitoring the ionosphere since it launched in January 2018. The satellite zips around Earth at the same rate that our planet rotates, enabling the spacecraft to remain in a constant hover over the Western Hemisphere.

GOLD spotted the clearest signs of the X- and C-shaped features in 2019, 2020 and 2021 — and in unexpected places. The evidence is causing researchers to question the potential effects of the Xs and Cs on communication signals in the future.

“NASA’s GOLD mission is the first one to observe the alphabetical shapes unambiguously,” said Fazlul Laskar, lead author of an April study about the X shapes published in the Journal of Geophysical Research: Space Physics.

“These shapes reveal that the ionosphere can be very dynamic at times displaying unexpected structures,” added Laskar, a research scientist at the University of Colorado’s Laboratory for Atmospheric and Space Physics. “Also, it demonstrates that the lower atmospheric weather could have enormous impact on the ionosphere.”

GOLD observing multiple instances of the Xs forming “during geomagnetic quiet conditions” — instead of during atmospheric disturbances such as solar storms or terrestrial weather, when they were previously seen — now tells scientists some other mechanism must be responsible for forming the shapes, Laskar said. Computer models point to changes in the lower atmosphere pulling plasma downward as a possible explanation, according to the study.

“The (appearance of the) X is odd because it implies that there are far more localized driving factors,” Klenzing said. He was not involved in the April study. “This is expected during the extreme events, but seeing it during ‘quiet time’ suggests that the lower atmosphere activity is significantly driving the ionospheric structure.”

Never-before-seen C bubbles

Separately, GOLD also observed C-shaped plasma bubbles that may be influenced by other factors.

Typically, plasma bubbles are long and straight because they form along Earth’s magnetic field lines. But some of the bubbles resemble curved shapes, which look like Cs or reverse Cs, and scientists think they could be shaped by Earth’s winds.

While C shapes may form if winds increase with altitude, reverse Cs could form if winds decrease with altitude, according to research models.

“It’s a little like a tree growing in a windy area,” Klenzing said. “If the winds are typically to the east, the tree starts to tilt and grow in that direction.”

But GOLD observed C-shaped and reverse C-shaped plasma bubbles unusually close together, only about 400 miles (644 kilometers) apart, or the about distance between Baltimore and Boston, according to a November 2023 study published in the Journal of Geophysical Research: Space Physics.

“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.”

“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.

Given that solar storms could increase due to the sun approaching the peak of its 11-year cycle, called solar maximum, astronomers also want to have a better understanding of how the ionosphere’s composition changes during the events because sudden swells of charged particles can increase drag on satellites and shorten their lifespans, Karan said.

Electric currents also flow in the ionosphere, and an increase in the electric current during solar storms can damage transmission lines and ground transformers on Earth, he said.

During the May 10 geomagnetic storm that hit Earth, tractor company John Deere reported that some customers reliant on GPS for precision farming experienced a disruption.

“The biggest impact to the agriculture industry centered on GPS guidance systems,” said Tim Marquis, a senior product manager at John Deere, in a statement. “GPS receivers work when a signal is received at regular intervals, much like a beat from a metronome, from a satellite in orbit. During solar storms, that signal hits a ‘fog’ of charged particles and can be lost. And machines can’t know precisely where they are thanks to this interference.”

Pending results from studies of GOLD data during the May 10 geomagnetic storm could help astronomers in the development of a space weather forecasting system, Laskar said.

“One thing we need to have is a space weather forecasting system that could tell us when we are going to have problems with GPS signals and when satellite orbits may need to be adjusted to avoid catastrophic collisions,” he said.

Losing a GPS signal on Earth isn’t just annoying for people trying to find a location they’ve never been to. The navigation signals are widely used in shipping, transportation, agriculture and construction, too.

When bubbles, crests or solar storms disrupt the plasma distribution in the ionosphere, radio signals passing through the atmospheric layer can be changed, lost or fade away, Karan said.

“There could be life-threatening impacts due to the sudden loss of GPS signals in aircraft, ships, and automobiles which is even scary to imagine,” he said.

GOLD and future mission concepts could help scientists to better understand the phenomena at work behind these recently observed X and C features — and even perhaps predict such changes before they occur in the ionosphere.

“One of the challenges for ionospheric researchers is to eventually be able to predict its dynamics in advance,” Laskar said, “so that we can be prepared for GPS signal loss and interruptions to satellite communications.”

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