Des scientifiques de la NASA et de trois universités ont présenté de nouvelles découvertes sur la façon dont la chaleur et l'énergie se déplacent et se manifestent dans l'ionosphère, une région de l'atmosphère terrestre qui réagit aux changements de l'espace au-dessus et de la Terre au-dessous.

Loin au-dessus de la surface de la Terre, dans la haute atmosphère ténue, est une mer de particules qui ont été divisées en ions positifs et négatifs par les rayons ultraviolets durs du soleil. Appelé l'ionosphère, c'est l'interface de la Terre avec l'espace, la zone où l'atmosphère neutre de la Terre et le temps terrestre cèdent la place à l'environnement spatial qui domine la plupart du reste de l'univers - un environnement qui héberge des particules chargées et un système complexe de champs électriques et magnétiques. L'ionosphère est à la fois façonnée par les vagues de l'atmosphère ci-dessous et particulièrement sensible aux conditions changeantes dans l'espace, transmettre une telle météo spatiale en observable, Phénomènes terrestres - création de l'aurore, perturber les signaux de communication, et causant parfois des problèmes de satellite.

Beaucoup de ces effets ne sont pas bien compris, quitter l'ionosphère, pour la plupart, une région de mystère. Des scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, l'Université catholique d'Amérique à Washington, D.C., l'Université du Colorado Boulder, et l'Université de Californie, Berkeley, a présenté de nouveaux résultats sur l'ionosphère lors de la réunion d'automne de l'American Geophysical Union le 14 décembre, 2016, à San Francisco.

Un chercheur a expliqué comment l'interaction entre l'ionosphère et une autre couche de l'atmosphère, la thermosphère, contrecarrer le chauffage dans la thermosphère - chauffage qui conduit à l'expansion de la haute atmosphère, ce qui peut provoquer une désintégration orbitale prématurée. Un autre chercheur a décrit comment l'énergie en dehors de l'ionosphère s'accumule jusqu'à ce qu'elle se décharge - un peu comme la foudre - offrant une explication sur la façon dont l'énergie de la météo spatiale traverse l'ionosphère. Un troisième scientifique a discuté de deux missions à venir de la NASA qui fourniront des observations clés de cette région, nous aider à mieux comprendre comment l'ionosphère réagit à la fois à la météo spatiale et à la météo terrestre.

Les changements dans l'ionosphère sont principalement provoqués par l'activité du soleil. Bien que cela puisse nous sembler immuable sur le terrain, notre soleil est, En réalité, un très dynamique, étoile active. Regarder le soleil dans les longueurs d'onde ultraviolettes de la lumière de l'espace - au-dessus de notre atmosphère bloquant la lumière UV - révèle une activité constante, y compris les éclats de lumière, particules, et champs magnétiques.

Parfois, le soleil libère d'énormes nuages ​​de particules et de champs magnétiques qui explosent du soleil à plus d'un million de miles par heure. C'est ce qu'on appelle les éjections de masse coronale, ou CME. Lorsqu'un CME atteint la Terre, ses champs magnétiques intégrés peuvent interagir avec le champ magnétique naturel de la Terre - appelé magnétosphère - en le comprimant parfois ou même en provoquant le réalignement de certaines parties de celui-ci.

C'est ce réalignement qui transfère l'énergie dans le système atmosphérique de la Terre, en déclenchant une réaction en chaîne de champs électriques et magnétiques changeants qui peuvent envoyer les particules déjà piégées près de la Terre dans toutes les directions. Ces particules peuvent alors créer l'un des événements météorologiques spatiaux les plus reconnaissables et les plus impressionnants - l'aurore, autrement connu comme les aurores boréales.

Mais le transfert d'énergie dans l'atmosphère n'est pas toujours aussi anodin. Il peut également chauffer la haute atmosphère - où orbitent les satellites de la Terre basse - la faisant se dilater comme une montgolfière.

"Ce gonflement signifie qu'il y a plus de choses à des altitudes plus élevées que ce à quoi nous nous attendrions autrement, " a déclaré Delores Knipp, un scientifique de l'espace à l'Université du Colorado Boulder. "Ce truc supplémentaire peut traîner sur les satellites, perturbant leurs orbites et les rendant plus difficiles à suivre."

Ce phénomène est appelé traînée satellite. De nouvelles recherches montrent que cette compréhension de la réponse de la haute atmosphère aux tempêtes solaires - et de la traînée satellite qui en résulte - peut ne pas toujours être vraie.

"Notre compréhension de base a été que les tempêtes géomagnétiques injectent de l'énergie dans le système terrestre, ce qui conduit au gonflement de la thermosphère, qui peut entraîner des satellites sur des orbites inférieures, " dit Knipp, chercheur principal sur ces nouveaux résultats. "Mais ce n'est pas toujours le cas."

Parfois, l'énergie des tempêtes solaires peut déclencher une réaction chimique qui produit un composé appelé oxyde nitrique dans la haute atmosphère. L'oxyde nitrique agit comme agent de refroidissement à très haute altitude, favorisant la perte d'énergie vers l'espace, ainsi une augmentation significative de ce composé peut provoquer un phénomène appelé surrefroidissement.

"Le refroidissement excessif fait que l'atmosphère évacue rapidement l'énergie de la tempête géomagnétique beaucoup plus rapidement que prévu, ", a déclaré Knipp. "C'est comme si le thermostat de la haute atmosphère était bloqué sur le réglage 'cool'."

Cette perte rapide d'énergie contrecarre l'expansion précédente, provoquant l'effondrement de la haute atmosphère - parfois à un état encore plus petit que celui dans lequel elle a commencé, laissant les satellites traverser des régions à plus faible densité que prévu.

Une nouvelle analyse de Knipp et de son équipe classe les types de tempêtes susceptibles de conduire à ce refroidissement excessif et à cet effondrement rapide de la haute atmosphère. En comparant plus d'une décennie de mesures des satellites du ministère de la Défense et de la thermosphère de la NASA, Ionosphère, Énergétique et dynamique de la mésosphère, ou TEMPORISE, mission, les chercheurs ont pu repérer des modèles d'énergie se déplaçant dans la haute atmosphère.

« Le surrefroidissement est le plus susceptible de se produire lorsque des éjectas très rapides et organisés magnétiquement du soleil font vibrer le champ magnétique de la Terre, ", a déclaré Knipp. "Les nuages ​​lents ou les nuages ​​mal organisés n'ont tout simplement pas le même effet."

Cela signifie que, contre-intuitivement, les tempêtes solaires les plus énergétiques sont susceptibles de produire un effet net de refroidissement et de rétrécissement sur la haute atmosphère, plutôt que de le chauffer et de le dilater comme on l'avait compris précédemment.

En concurrence avec ce processus de refroidissement, il y a le réchauffement causé par l'énergie solaire des tempêtes qui pénètre dans l'atmosphère terrestre. Bien que les scientifiques sachent que l'énergie solaire éolienne atteint finalement l'ionosphère, ils ont peu compris où, quand et comment ce transfert a lieu. De nouvelles observations montrent que le processus est localisé et impulsif, et en partie dépendant de l'état de l'ionosphère elle-même.

Traditionnellement, les scientifiques ont pensé que la façon dont l'énergie se déplace dans la magnétosphère et l'atmosphère terrestres est déterminée par les caractéristiques des particules entrantes et des champs magnétiques du vent solaire - par exemple, le long de, Un flux constant de particules solaires produirait des effets différents d'un flux plus rapide, flux moins constant. Cependant, de nouvelles données montrent que la façon dont l'énergie se déplace est beaucoup plus étroitement liée aux mécanismes par lesquels la magnétosphère et l'ionosphère sont liées.

"Le processus de transfert d'énergie s'avère très similaire à la façon dont la foudre se forme pendant un orage, " a déclaré Bob Robinson, un scientifique de l'espace à la NASA Goddard et à l'Université catholique d'Amérique.

Lors d'un orage, une accumulation de différence de potentiel électrique - appelée tension - entre un nuage et le sol entraîne soudainement, décharge violente de cette énergie électrique sous forme de foudre. Cette décharge ne peut se produire que s'il existe un chemin électriquement conducteur entre le nuage et le sol, appelé un chef.

De la même manière, le vent solaire frappant la magnétosphère peut créer une différence de tension entre différentes régions de l'ionosphère et de la magnétosphère. Des courants électriques peuvent se former entre ces régions, créant la voie conductrice nécessaire pour que cette énergie électrique accumulée se décharge dans l'ionosphère comme une sorte de foudre.

"La foudre terrestre met plusieurs millisecondes à se produire, alors que cet «éclair» magnétosphère-ionosphère dure plusieurs heures - et la quantité d'énergie transférée est des centaines à des milliers de fois plus grande, " dit Robinson, chercheur principal sur ces nouveaux résultats. Ces résultats sont basés sur les données de la constellation mondiale de communications par satellite Iridium.

Parce que les tempêtes solaires augmentent les courants électriques qui permettent à cet éclair magnétosphère-ionosphère d'avoir lieu, ce type de transfert d'énergie est beaucoup plus probable lorsque le champ magnétique terrestre est bousculé par un événement solaire.

L'énorme transfert d'énergie de cet éclair magnétosphère-ionosphère est associé au réchauffement de l'ionosphère et de la haute atmosphère, ainsi que l'augmentation des aurores.

Avoir hâte de

Bien que les scientifiques progressent dans la compréhension des processus clés qui entraînent des changements dans l'ionosphère et, à son tour, sur Terre, il y a encore beaucoup à comprendre. En 2017, La NASA lance deux missions pour explorer cette région dynamique :l'Ionospheric Connection Explorer, ou ICNE, et Observations globales du membre et du disque, ou OR.

"L'ionosphère ne réagit pas seulement à l'apport d'énergie par les tempêtes solaires, " a déclaré Scott England, un scientifique de l'espace à l'Université de Californie, Berkeley, qui travaille à la fois sur les missions ICON et GOLD. "Météo terrestre, comme les ouragans et les vents, peut façonner l'atmosphère et l'ionosphère, changer leur façon de réagir à la météo spatiale."

ICON mesurera simultanément les caractéristiques des particules chargées dans l'ionosphère et des particules neutres dans l'atmosphère - y compris celles façonnées par la météo terrestre - pour comprendre comment elles interagissent. GOLD prendra plusieurs des mêmes mesures, mais depuis l'orbite géostationnaire, qui donne une vision globale de l'évolution de l'ionosphère.

ICON et GOLD profiteront d'un phénomène appelé airglow - la lumière émise par un gaz excité ou ionisé par le rayonnement solaire - pour étudier l'ionosphère. En mesurant la lumière de la lueur d'air, les scientifiques peuvent suivre l'évolution de la composition, densité, et même la température des particules dans l'ionosphère et l'atmosphère neutre.

La position d'ICON à 350 milles au-dessus de la Terre lui permettra d'étudier l'atmosphère de profil, donnant aux scientifiques un aperçu sans précédent de l'état de l'ionosphère à différentes altitudes. Pendant ce temps, position d'OR 22, 000 miles au-dessus de la Terre lui donnera la chance de suivre les changements dans l'ionosphère à mesure qu'ils se déplacent à travers le monde, semblable à la façon dont un satellite météo suit une tempête.

"Nous utiliserons ces deux missions ensemble pour comprendre comment les systèmes météorologiques dynamiques se reflètent dans la haute atmosphère, et comment ces changements affectent l'ionosphère, " dit l'Angleterre.