Tillsammans med rymdforskare, Finska amatörfotografer har upptäckt en ny norrskensform. Döpt till "dyner" av hobbyisterna, fenomenet tros vara orsakat av vågor av syreatomer som lyser på grund av en ström av partiklar som frigörs från solen.

I den nyligen publicerade studien, sanddynernas ursprung spårades till en vågledare som bildades inom mesosfären och dess gräns, mesopausen. Studien hävdar också att denna nya norrskensform ger forskare ett nytt sätt att undersöka förhållandena i den övre atmosfären.

Studien publicerades i det första numret av tidskriften med hög effekt AGU avancerar .

Ett okänt fingeravtryck dyker upp på himlen

Minna Palmroth, Professor i beräkningsrymdfysik vid Helsingfors universitet, leder en forskargrupp som utvecklar världens mest exakta simulering av det nära jordens rymd- och rymdväder som orsakar norrskensutsläpp.

Solen släpper ut ett jämnt flöde av laddade partiklar, känd som solvinden. Att nå jordens joniserade övre atmosfär, jonosfären, de skapar norrskensutsläpp genom spännande atmosfäriska syre- och kväveatomer. Excitationstillståndet frigörs som norrskensljus.

I slutet av 2018, Palmroth publicerade en bok med titeln "Revontulibongarin opas" ("A guide for aurora borealis watchers"). Boken föddes ur Palmroths samarbete med norrskensentusiaster och de svar hon gav på frågor om fenomenets fysik i hobbygruppens Facebook-grupp.

Tusentals magnifika fotografier av norrsken tagna av hobbyister undersöktes och kategoriserades för boken. Varje norrskensform är som ett fingeravtryck, endast typiskt för ett visst fenomen i norrskenszonen. Under klassificeringen, hobbyister påpekade att en viss norrskensform inte passade in i någon av de redan existerande kategorierna. Palmroth avsatte dessa ovanliga former för senare övervägande.

Av en nästan otrolig slump, bara dagar efter att boken publicerats, hobbyisterna såg denna ovanliga form igen och informerade omedelbart Palmroth. Formen visade sig som ett grönfärgat och jämnt vågmönster som liknade en randig slöja av moln eller sanddyner på en sandstrand.

"En av de mest minnesvärda ögonblicken av vårt forskningssamarbete var när fenomenet dök upp vid den specifika tidpunkten och vi kunde undersöka det i realtid, " säger Norrskens- och astronomihobbyisten Matti Helin.

Vågor som nyligen avslöjats av norrsken

Undersökningar av fenomenet inleddes, med hobbyobservationer och vetenskapliga metoder som går samman för att förklara vågorna.

"Det var som att lägga ett pussel eller utföra detektivarbete, ", säger Helin. "Varje dag hittade vi nya bilder och kom på nya idéer. Så småningom, vi kom till botten med det..."

Fenomenet fotograferades samtidigt i både Laitila och Ruovesi, sydvästra Finland, med samma detalj observerad i norrskensemissionen i båda bilderna. Maxime Grandin, en postdoktor i Palmroths team, identifierade stjärnor bakom emissionen och bestämde stjärnornas azimut och höjder med hjälp av astronomiprogrammet Stellarium. Detta gjorde det möjligt att använda stjärnorna som referenspunkter vid beräkning av norrskensfenomenets höjd och utbredning.

Grandin fann att norrskensdynerna förekommer på en relativt låg höjd av 100 kilometer, i de övre delarna av mesosfären. Vågfältets våglängd uppmättes till 45 kilometer.

Totalt sju liknande händelser – där en kamera hade spelat in samma jämna vågmönster – identifierades ytterligare från tjänsten "Taivaanvahti" ("Sky Watch") som upprätthålls av Finlands amatörastronomförbund, Ursa.

Outforskad region

Den del av norrskenszonen där jordens elektriskt neutrala atmosfär möter kanten av rymden är en extremt utmanande miljö för satelliter och andra rymdburna instrument. Palmroth säger att det är därför det är en av de minst studerade platserna på vår planet.

"På grund av svårigheterna att mäta de atmosfäriska fenomen som inträffar mellan 80 och 120 kilometer på höjden, vi kallar ibland detta område för ignorosfären, '" hon säger.

Sanddynerna observerades exakt i den specifika delen av norrskenszonen. Det observerade fenomenet styrde forskarna mot en mellanväg mellan atmosfärisk forskning och rymdforskning, eftersom rymdfysikens vanliga metodik inte kunde förklara den ensam.

"Skillnaderna i ljusstyrka inom dynvågorna kan bero på att båda vågorna i de utfällande partiklarna kommer från rymden, eller i de underliggande atmosfäriska syreatomerna, ", säger Palmroth. "Det slutade med att vi föreslog att sanddynerna är ett resultat av ökad syreatomdensitet."

Nästa, teamet var tvungna att fastställa hur variationen i tätheten hos syreatomerna orsakade av gravitationsvågor i atmosfären resulterar i ett så jämnt och utbrett vågfält. Normalt på studiehöjden finns det många olika typer av gravitationsvågor som rör sig i olika riktningar vid olika våglängder, varför de inte så lätt bildar de jämna vågfälten som dynerna uppvisar.

Norrskenet lyser upp ett tidvattenhål

Studien tyder på att fenomenet i fråga är ett mesosfäriskt hål, ett sällsynt och föga studerat fenomen som utspelar sig i mesosfären. Tidvattenloppsfenomenet är en våg som är vanlig för många floder, där tidvattnet vandrar uppför flodkanalen.

Olika typer av gravitationsvågor föds i atmosfären och stiger sedan upp. I mycket sällsynta fall, gravitationsvågor kan filtreras när de stiger mellan mesopausen och ett inversionsskikt som intermittent bildas under mesopausen. Inversionslagret gör att de filtrerade vågorna böjs och gör att de kan färdas långa sträckor genom kanalen utan dämpning.

När syreatomerna i borrningen kolliderar med elektronerna som faller ut i atmosfären, de blir exalterade. När du släpper denna excitation, de skapar norrskensljuset. Det är därför mesosfäriska borrhål – ett fenomen som hittills ansetts vara ett mycket utmanande forskningsämne – ibland kan ses med blotta ögat.

Rymdforskare fokuserar på atmosfären

Före denna upptäckt, mesosfäriska hål observerades inte i norrskenszonen, De har inte heller undersökts via norrskensutsläpp.

"Nordskenszonen som helhet diskonteras vanligtvis i studier fokuserade på borrningen, eftersom norrskensutsläpp försämrar den teknik som används för att identifiera mesosfäriska hål, säger Palmroth.

Traditionellt, forskare som specialiserat sig på atmosfären och rymden har till stor del undersökt sina intresseämnen separat från varandra. Detta beror på att det bara finns en handfull kända mekanismer för interaktion mellan jonosfären som badar i de utfällande elektronerna, och den neutrala atmosfären.

Med hjälp av mätinstrument som drivs av Meteorologiska institutet, sanddynerna visade sig förekomma samtidigt och i samma region där den elektromagnetiska energin som har sitt ursprung i rymden överförs till ignorosfären.

"Detta kan innebära att energin som överförs från rymden till jonosfären kan vara kopplad till skapandet av inversionsskiktet i mesosfären, " säger Palmroth. "När det gäller fysik, detta skulle vara en häpnadsväckande upptäckt, eftersom det skulle representera en ny och tidigare oobserverad mekanism för interaktion mellan jonosfären och atmosfären."