Κάθε μέρα, τα ραδιοσήματα από βασικούς δορυφόρους επικοινωνίας και πλοήγησης ταξιδεύουν ελεύθερα μέσα από ένα στρώμα της γήινης ατμόσφαιρας, γνωστό ως ιονόσφαιρα. Αιωρούμενη 50 έως 400 μίλια (80 έως 643 χιλιόμετρα) πάνω από τα κεφάλια μας, ακριβώς κάτω από τα χαμηλότερα σημεία του διαστήματος όπου βρίσκονται σε τροχιά ορισμένοι επικοινωνιακοί δορυφόροι, αυτή η ζώνη στην ανώτερη ατμόσφαιρα φιλοξενεί επίσης πολλούς άλυτους γρίφους – συμπεριλαμβανομένου ενός σε σχήμα αλφαβήτου που έχει τη δυνατότητα να ανατρέψει όλα όσα κάνουν αυτά τα ραδιοσήματα για να κρατήσουν τη ζωή στον πλανήτη μας να λειτουργεί ομαλά.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν εδώ και αρκετό καιρό ότι σχηματισμοί που μοιάζουν με σχήμα Χ μπορούν να εμφανιστούν στο πλάσμα της ιονόσφαιρας – μια θάλασσα φορτισμένων σωματιδίων – μετά από ηλιακές καταιγίδες.

Ηφαιστειακά γεγονότα και ακραία καιρικά φαινόμενα στη Γη μπορούν επίσης να προκαλέσουν το φαινόμενο. Τεράστιες εκρήξεις, όπως η έκρηξη Hunga Tonga-Hunga Ha’apai τον Ιανουάριο του 2022, εκτοξεύουν σωματίδια στη γήινη ατμόσφαιρα που φτάνουν ακόμη και στο διάστημα. Οι καταιγίδες και οι τυφώνες μπορούν να δημιουργήσουν κύματα πίεσης που βρίσκουν το δρόμο τους προς την ιονόσφαιρα.

Εν τω μεταξύ, τη νύχτα κατά τη διάρκεια αυτών των ενεργών περιόδων, όταν η ακτινοβολία του ήλιου δεν είναι τόσο ισχυρή, είναι επίσης η στιγμή που εμφανίζονται φυσαλίδες χαμηλής πυκνότητας στην ιονόσφαιρα.

Τα δορυφορικά δεδομένα δεν ήταν πάντα σε θέση να αποτυπώσουν την πλήρη εικόνα του τι συμβαίνει στην ιονόσφαιρα, αλλά η αποστολή GOLD της NASA έχει μια εικόνα του ατμοσφαιρικού στρώματος πάνω από το δυτικό ημισφαίριο από το διάστημα, αποκαλύπτοντας πώς διαφορετικοί παράγοντες προκαλούν διαταραχές στην ιονόσφαιρα.

Τώρα, οι αστρονόμοι που εξετάζουν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από την αποστολή GOLD βρήκαν παρόμοια χαρακτηριστικά σε σχήμα Χ και πρωτόγνωρα C, τα οποία φαίνεται να εμφανίστηκαν αναπάντεχα κατά τη διάρκεια «ήσυχων περιόδων», όταν δεν υπήρχαν ατμοσφαιρικές διαταραχές, σύμφωνα με νέα έρευνα. Τα ευρήματα ανατρέπουν όσα ήταν γνωστά για το πώς μπορεί να σχηματίζονται οι ασυνήθιστες δομές και τις πιθανές επιπτώσεις τους.

Τα δεδομένα της αποστολής βοηθούν τους επιστήμονες να δουν πόσο πολύπλοκη είναι η ατμόσφαιρα της Γης, ενώ δείχνουν ότι είναι πιο μεταβλητή από ό,τι αναμενόταν, ακόμη και όταν δεν υπάρχει προφανής αιτία πίσω από τις αλφαβητικού σχήματος διαταραχές στην ιονόσφαιρα, δήλωσε ο Jeffrey Klenzing, ερευνητής που μελετά την ιονόσφαιρα στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA στο Greenbelt του Maryland.

«Θα υποπτευόμουν ότι αυτό συνέβαινε πάντα», είπε. «Και στην πραγματικότητα το ζήτημα ήταν βασικά ότι δεν είχαμε αρκετά δεδομένα για να δούμε ότι συμβαίνει».

Η καλύτερη κατανόηση των φαινομένων σε σχήμα γράμματος μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να ξεκλειδώσουν τη δυναμική μεταξύ της ιονόσφαιρας και του καιρού – και πώς η αλληλεπίδραση αυτή μπορεί να εγκυμονεί κινδύνους για τους ανθρώπους και τα συστήματα στη Γη.

Σχήμα Χ

Η ιονόσφαιρα δεν είναι πάντα ένα απόλυτα ομαλό στρώμα αερίου και αλλάζει συνεχώς. Ηλεκτρίζεται όταν το ηλιακό φως τη χτυπάει. Η ηλιακή ακτινοβολία χτυπά ηλεκτρόνια από άτομα και μόρια για να δημιουργήσει πλάσμα που επιτρέπει στις ραδιοεπικοινωνίες να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις.

Αλλά καθώς ο Ήλιος εξασθενεί τη νύχτα, η ιονόσφαιρα αραιώνει και τα κάποτε φορτισμένα σωματίδια κατακάθονται και γίνονται ουδέτερα σωματίδια, σύμφωνα με τη NASA. Τότε είναι που μπορούν να σχηματιστούν φυσαλίδες στην ιονόσφαιρα.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου της Γης μεταφέρουν επίσης φορτισμένα σωματίδια που αιωρούνται ελεύθερα στην ατμόσφαιρα σε δύο πυκνές ζώνες βόρεια και νότια του Ισημερινού που είναι γνωστές ως κορυφογραμμές.

Λόγω των διαφορετικών πυκνοτήτων τους, οι κορυφογραμμές και οι φυσαλίδες που μοιάζουν με διαφορετικά σχήματα μέσα στην ιονόσφαιρα μπορούν να προκαλέσουν παρεμβολές στις επικοινωνίες και στα σήματα GPS.

Η αποστολή GOLD, ή Global-scale Observations of the Limb and Disk, παρακολουθεί την ιονόσφαιρα από την εκτόξευσή της τον Ιανουάριο του 2018. Ο δορυφόρος κινείται γύρω από τη Γη με τον ίδιο ρυθμό που περιστρέφεται ο πλανήτης μας, επιτρέποντας στο διαστημικό σκάφος να παραμένει σε συνεχή αιώρηση πάνω από το δυτικό ημισφαίριο.

Η αποστολή GOLD εντόπισε τα σαφέστερα σημάδια των χαρακτηριστικών σε σχήμα Χ και C το 2019, το 2020 και το 2021 – και μάλιστα σε απροσδόκητα μέρη. Τα στοιχεία αυτά κάνουν τους ερευνητές να αναρωτιούνται για τις πιθανές επιπτώσεις των Χ και των C στα σήματα επικοινωνίας στο μέλλον.

Η αποστολή GOLD της NASA είναι η πρώτη που παρατηρεί με σαφήνεια τα αλφαβητικά σχήματα, δήλωσε ο Fazlul Laskar, επικεφαλής συγγραφέας μιας μελέτης για τα σχήματα Χ που δημοσιεύθηκε τον Απρίλιο στο Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Αυτά τα σχήματα αποκαλύπτουν ότι η ιονόσφαιρα μπορεί να είναι πολύ δυναμική κατά καιρούς εμφανίζοντας απροσδόκητες δομές, πρόσθεσε ο Laskar, ερευνητής στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας και του Διαστήματος του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Επίσης, καταδεικνύουν ότι ο καιρός στην κατώτερη ατμόσφαιρα μπορεί να έχει τεράστιο αντίκτυπο στην ιονόσφαιρα.

Η GOLD παρατηρώντας πολλαπλές περιπτώσεις σχηματισμού των Χ κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών ήρεμων συνθηκών – αντί για ατμοσφαιρικές διαταραχές όπως ηλιακές καταιγίδες ή γήινες καιρικές συνθήκες, όπου είχαν παρατηρηθεί προηγουμένως – λέει τώρα στους επιστήμονες ότι κάποιος άλλος μηχανισμός πρέπει να είναι υπεύθυνος για τον σχηματισμό των σχημάτων, δήλωσε ο Laskar. Σύμφωνα με τη μελέτη, τα υπολογιστικά μοντέλα υποδεικνύουν ως πιθανή εξήγηση τις αλλαγές στην κατώτερη ατμόσφαιρα που έλκουν το πλάσμα προς τα κάτω.

Η (εμφάνιση του) Χ είναι περίεργη επειδή υπονοεί ότι υπάρχουν πολύ πιο εντοπισμένοι κινητήριοι παράγοντες, δήλωσε ο Klenzing. Ο ίδιος δεν συμμετείχε στη μελέτη του Απριλίου. Αυτό είναι αναμενόμενο κατά τη διάρκεια των ακραίων συμβάντων, αλλά το να το βλέπουμε κατά τη διάρκεια του «ήσυχου χρόνου» υποδηλώνει ότι η δραστηριότητα της κατώτερης ατμόσφαιρας οδηγεί σημαντικά τη δομή της ιονόσφαιρας, πρόσθεσε.

Φυσαλίδες C που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ πριν

Ξεχωριστά, η GOLD παρατήρησε επίσης φυσαλίδες πλάσματος σε σχήμα C που μπορεί να επηρεάζονται από άλλους παράγοντες.

Συνήθως, οι φυσαλίδες πλάσματος είναι μακριές και ευθείες επειδή σχηματίζονται κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου της Γης. Αλλά μερικές από τις φυσαλίδες μοιάζουν με καμπύλα σχήματα, τα οποία μοιάζουν με C ή αντίστροφα C, και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να διαμορφωθούν από τους γήινους ανέμους.

Ενώ τα σχήματα C μπορεί να σχηματιστούν αν οι άνεμοι αυξάνονται με το υψόμετρο, τα αντίστροφα C θα μπορούσαν να σχηματιστούν αν οι άνεμοι μειώνονται με το υψόμετρο, σύμφωνα με τα μοντέλα της έρευνας.

Είναι λίγο σαν ένα δέντρο που μεγαλώνει σε μια περιοχή με ανέμους, δήλωσε ο Klenzing. Αν οι άνεμοι είναι συνήθως ανατολικοί, το δέντρο αρχίζει να γέρνει και να αναπτύσσεται προς αυτή την κατεύθυνση.

Αλλά η GOLD παρατήρησε φυσαλίδες πλάσματος σε σχήμα C και αντίστροφο σχήμα C ασυνήθιστα κοντά μεταξύ τους, μόνο περίπου 644 χιλιόμετρα μεταξύ τους, ή περίπου την απόσταση μεταξύ Βαλτιμόρης και Βοστώνης, σύμφωνα με μια μελέτη του Νοεμβρίου 2023 που δημοσιεύθηκε στο Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Μέσα σε αυτή τη μικρή απόσταση, αυτές οι δύο φυσαλίδες πλάσματος αντίθετου σχήματος δεν είχαν ποτέ προβλεφθεί, δεν είχαν ποτέ απεικονιστεί, δήλωσε ο Deepak Karan, ερευνητής στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας και του Διαστήματος του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Ο Karan εργάζεται στην αποστολή GOLD και είναι ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης του σχήματος C και συν-συγγραφέας της μελέτης του σχήματος X.

Η δραστηριότητα που μοιάζει με ανεμοστρόβιλο, η διάτμηση του ανέμου ή μια δίνη θα μπορούσαν να δημιουργήσουν αναταράξεις στην ατμόσφαιρα που προκαλούν την αλλαγή των μοτίβων του ανέμου σε μια τόσο μικρή περιοχή, δήλωσε ο Karan. Όμως οι επιστήμονες δεν περίμεναν ποτέ να δουν τέτοιες αντίθετα δομημένες φυσαλίδες τόσο κοντά η μία στην άλλη.

«Το γεγονός ότι έχουμε πολύ διαφορετικά σχήματα φυσαλίδων τόσο κοντά μεταξύ τους μας λέει ότι η δυναμική της ατμόσφαιρας είναι πιο πολύπλοκη από ό,τι περιμέναμε», δήλωσε ο Klenzing.

Μέχρι στιγμής, η GOLD έχει παρατηρήσει μόνο δύο περιπτώσεις των στενών ζευγών, αλλά οι φυσαλίδες σε σχήμα C έχουν τη δυνατότητα να διαταράξουν τις επικοινωνίες.

«Είναι πραγματικά σημαντικό να μάθουμε γιατί συμβαίνει αυτό», δήλωσε ο Karan. «Αν έχει συμβεί μια δίνη ή μια πολύ ισχυρή διάτμηση στο πλάσμα, αυτό θα παραμορφώσει εντελώς το πλάσμα πάνω από αυτή την περιοχή. Τα σήματα θα χαθούν εντελώς με μια τέτοια ισχυρή διαταραχή».

Ο Karan δήλωσε ότι αυτοί οι στρόβιλοι, οι οποίοι μπορούν να διαρκέσουν για ώρες, μοιάζουν με τους ανεμοστρόβιλους που συμβαίνουν στην κατώτερη ατμόσφαιρα της Γης, αλλά ο γρίφος που δεν φαίνεται να μπορούν να λύσουν οι επιστήμονες είναι πώς σχηματίζονται οι δομές στην ιονόσφαιρα κατά τη διάρκεια του «ήσυχου χρόνου».

Η διαλεύκανση του μυστηρίου αυτών των σχηματισμών φυσαλίδων πλάσματος δεν είναι μόνο μια επιστημονική περιέργεια, αλλά και πρακτικής σημασίας για τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων στα συστήματα επικοινωνίας και πλοήγησης, δήλωσε.

Οι προσπάθειες κατανόησης του τρόπου με τον οποίο οι φυσαλίδες σχηματίζονται τόσο κοντά μεταξύ τους με τα τρέχοντα εργαλεία μοντελοποίησης ήταν ανεπιτυχείς, δήλωσε ο Karan. Ελπίζει ότι με τη δημοσίευση της έρευνας και τη συμπερίληψη όλων των πιθανών μηχανισμών σχηματισμού, η επιστημονική κοινότητα θα μπορέσει να ενωθεί για να λύσει το μυστήριο.

Ένας χρυσός θησαυρός δεδομένων

Η αποστολή GOLD είναι κατάλληλη για την καταγραφή απροσδόκητων χαρακτηριστικών της ιονόσφαιρας λόγω της τροχιάς της. Ενώ οι προηγούμενες δορυφορικές αποστολές μπορούσαν να καταγράψουν μόνο ένα μικρό κομμάτι ενός γεγονότος σε μία διάσταση, η GOLD μπορεί να λάβει πολλαπλές εικόνες ενός γεγονότος κατά τη διάρκεια ωρών, δήλωσε ο Laskar. Και αναμένει ότι ακόμη περισσότερα εκπληκτικά χαρακτηριστικά θα αποκαλυφθούν στα δεδομένα του GOLD στο μέλλον.

«Λόγω της τόσο ευρείας θέασης και των συνεχών μετρήσεων, η GOLD μας επέτρεψε να παρατηρήσουμε αυτά τα μυστήρια μέσα στην ιονόσφαιρα», δήλωσε ο Karan.

Είπε ότι υπάρχουν πολλά ερωτήματα που παραμένουν αναπάντητα σχετικά με αυτό το ατμοσφαιρικό στρώμα, όπως το πώς οι αλλαγές στην κατώτερη ατμόσφαιρα και η ηλιακή δραστηριότητα επηρεάζουν την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων στην ιονόσφαιρα.

Δεδομένου ότι οι ηλιακές καταιγίδες θα μπορούσαν να αυξηθούν λόγω του ότι ο Ήλιος πλησιάζει στο αποκορύφωμα του 11ετούς κύκλου του, που ονομάζεται ηλιακό μέγιστο, οι αστρονόμοι θέλουν επίσης να κατανοήσουν καλύτερα πώς αλλάζει η σύνθεση της ιονόσφαιρας κατά τη διάρκεια των γεγονότων, επειδή οι ξαφνικές αυξήσεις φορτισμένων σωματιδίων μπορούν να αυξήσουν την αντίσταση στους δορυφόρους και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής τους, δήλωσε ο Karan.

Ηλεκτρικά ρεύματα ρέουν επίσης στην ιονόσφαιρα και η αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη διάρκεια των ηλιακών καταιγίδων μπορεί να προκαλέσει ζημιές σε γραμμές μεταφοράς και μετασχηματιστές εδάφους στη Γη, είπε.

Κατά τη διάρκεια της γεωμαγνητικής καταιγίδας της 10ης Μαΐου που έπληξε τη Γη, η εταιρεία τρακτέρ John Deere ανέφερε ότι ορισμένοι πελάτες που εξαρτώνται από το GPS για τη γεωργία ακριβείας αντιμετώπισαν διαταραχές.

Ο μεγαλύτερος αντίκτυπος στη γεωργική βιομηχανία επικεντρώθηκε στα συστήματα καθοδήγησης GPS, δήλωσε ο Tim Marquis, ανώτερος διευθυντής προϊόντων της John Deere, σε δήλωσή του. Οι δέκτες GPS λειτουργούν όταν λαμβάνεται ένα σήμα σε τακτά χρονικά διαστήματα, όπως ο ρυθμός ενός μετρονόμου, από έναν δορυφόρο σε τροχιά. Κατά τη διάρκεια ηλιακών καταιγίδων, το σήμα αυτό πέφτει σε μια «ομίχλη» φορτισμένων σωματιδίων και μπορεί να χαθεί. Και τα μηχανήματα δεν μπορούν να γνωρίζουν ακριβώς πού βρίσκονται χάρη σε αυτές τις παρεμβολές.

Τα εκκρεμή αποτελέσματα από τις μελέτες των δεδομένων GOLD κατά τη διάρκεια της γεωμαγνητικής καταιγίδας της 10ης Μαΐου θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους στην ανάπτυξη ενός συστήματος πρόγνωσης του διαστημικού καιρού, δήλωσε ο Laskar.

«Ένα πράγμα που χρειαζόμαστε είναι ένα σύστημα πρόγνωσης του διαστημικού καιρού που θα μπορούσε να μας πει πότε θα έχουμε προβλήματα με τα σήματα GPS και πότε οι τροχιές των δορυφόρων μπορεί να χρειαστεί να προσαρμοστούν για να αποφευχθούν καταστροφικές συγκρούσεις», είπε.

Η απώλεια σήματος GPS στη Γη δεν είναι ενοχλητική μόνο για τους ανθρώπους που προσπαθούν να βρουν μια τοποθεσία στην οποία δεν έχουν πάει ποτέ. Τα σήματα πλοήγησης χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη ναυτιλία, τις μεταφορές, τη γεωργία και τις κατασκευές.

Όταν οι φυσαλίδες, οι κορυφές ή οι ηλιακές καταιγίδες διαταράσσουν την κατανομή του πλάσματος στην ιονόσφαιρα, τα ραδιοσήματα που περνούν μέσα από το ατμοσφαιρικό στρώμα μπορεί να αλλάξουν, να χαθούν ή να σβήσουν, δήλωσε ο Karan.

Θα μπορούσαν να υπάρξουν απειλητικές για τη ζωή επιπτώσεις λόγω της ξαφνικής απώλειας των σημάτων GPS σε αεροσκάφη, πλοία και αυτοκίνητα, κάτι που είναι ακόμη και τρομακτικό να το φανταστεί κανείς, είπε.

Οι μελέτες της GOLD και των μελλοντικών αποστολών θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα φαινόμενα που βρίσκονται πίσω από αυτά τα πρόσφατα παρατηρηθέντα χαρακτηριστικά Χ και C – και ίσως ακόμη και να προβλέψουν τέτοιες αλλαγές πριν συμβούν στην ιονόσφαιρα.

«Μία από τις προκλήσεις για τους ερευνητές της ιονόσφαιρας είναι να μπορέσουμε τελικά να προβλέψουμε εκ των προτέρων τη δυναμική της», δήλωσε ο Laskar, «ώστε να είμαστε προετοιμασμένοι για την απώλεια σήματος GPS και τις διακοπές στις δορυφορικές επικοινωνίες».

Με πληροφορίες από CNN

Tags