Forskare från NASA och tre universitet har presenterat nya upptäckter om hur värme och energi rör sig och manifesterar sig i jonosfären, en region av jordens atmosfär som reagerar på förändringar från både rymden ovanför och jorden under.

Långt över jordens yta, inom den svaga övre atmosfären, är ett hav av partiklar som har delats upp till positiva och negativa joner av solens hårda ultravioletta strålning. Kallas jonosfären, detta är jordens gränssnitt till rymden, området där jordens neutrala atmosfär och markväder ger vika för den rymdmiljö som dominerar större delen av resten av universum – en miljö som är värd för laddade partiklar och ett komplext system av elektriska och magnetiska fält. Jonosfären är både formad av vågor från atmosfären nedanför och unikt lyhörd för de förändrade förhållandena i rymden, förmedla sådant rymdväder till observerbara, Jordeffektiva fenomen - skapar norrsken, störa kommunikationssignaler, och ibland orsakar satellitproblem.

Många av dessa effekter är inte väl förstådda, lämnar jonosfären, för det mesta, en region av mystik. Forskare från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, det katolska universitetet i Washington, D.C., University of Colorado Boulder, och University of California, Berkeley, presenterade nya resultat om jonosfären vid höstmötet för American Geophysical Union den 14 december, 2016, i San Francisco.

En forskare förklarade hur interaktionen mellan jonosfären och ett annat lager i atmosfären, termosfären, motverka uppvärmning i termosfären - uppvärmning som leder till expansion av den övre atmosfären, vilket kan orsaka för tidig orbital sönderfall. En annan forskare beskrev hur energi utanför jonosfären ackumuleras tills den urladdas - inte olikt blixten - och erbjöd en förklaring till hur energi från rymdvädret passerar in i jonosfären. En tredje forskare diskuterade två kommande NASA-uppdrag som kommer att ge viktiga observationer av denna region, hjälper oss att bättre förstå hur jonosfären reagerar både på rymdväder och på markväder.

Förändringar i jonosfären drivs främst av solens aktivitet. Även om det kan verka oföränderligt för oss på marken, vår sol är, faktiskt, en mycket dynamisk, aktiv stjärna. Att titta på solen i ultravioletta våglängder av ljus från rymden - ovanför vår UV-ljusblockerande atmosfär - avslöjar konstant aktivitet, inklusive ljusskurar, partiklar, och magnetfält.

Ibland, solen släpper ut enorma moln av partiklar och magnetfält som exploderar ut från solen med mer än en miljon miles per timme. Dessa kallas koronala massutstötningar, eller CME. När en CME når jorden, dess inbäddade magnetfält kan interagera med jordens naturliga magnetiska fält - kallat magnetosfären - och ibland komprimera det eller till och med få delar av det att justera.

Det är denna omställning som överför energi till jordens atmosfäriska system, genom att sätta igång en kedjereaktion av skiftande elektriska och magnetiska fält som kan skicka de partiklar som redan är instängda nära jorden skittra i alla riktningar. Dessa partiklar kan sedan skapa en av de mest igenkännliga och respektingivande väderhändelserna i rymden - norrskenet, annars känt som norrskenet.

Men överföringen av energi till atmosfären är inte alltid så ofarlig. Den kan också värma upp den övre atmosfären - där satelliter med låga jordens kretsar kretsar - vilket får den att expandera som en varmluftsballong.

"Denna svullnad betyder att det finns mer saker på högre höjder än vi annars skulle förvänta oss, sa Delores Knipp, en rymdforskare vid University of Colorado Boulder. "De där extra sakerna kan dra på satelliter, stör deras banor och gör dem svårare att spåra."

Detta fenomen kallas satellitmotstånd. Ny forskning visar att denna förståelse av den övre atmosfärens svar på solstormar - och det resulterande satellitmotståndet - kanske inte alltid stämmer.

"Vår grundläggande förståelse har varit att geomagnetiska stormar lägger energi i jordsystemet, vilket leder till svullnad av termosfären, som kan dra ner satelliter i lägre banor, sa Knipp, ledande forskare om dessa nya resultat. "Men så är det inte alltid."

Ibland, energin från solstormar kan utlösa en kemisk reaktion som producerar en förening som kallas kväveoxid i den övre atmosfären. Kväveoxid fungerar som ett kylmedel på mycket höga höjder, främja energiförlust till rymden, så en betydande ökning av denna förening kan orsaka ett fenomen som kallas överkylning.

"Överkylning gör att atmosfären snabbt avger energi från den geomagnetiska stormen mycket snabbare än förväntat, " sa Knipp. "Det är som att termostaten för den övre atmosfären har fastnat på den "svala" inställningen."

Den snabba energiförlusten motverkar den tidigare expansionen, får den övre atmosfären att kollapsa igen - ibland till ett ännu mindre tillstånd än det började i, lämnar satelliter som färdas genom områden med lägre täthet än väntat.

En ny analys av Knipp och hennes team klassificerar de typer av stormar som sannolikt kommer att leda till denna överkylning och snabba övre atmosfärskollaps. Genom att jämföra över ett decennium av mätningar från försvarsdepartementets satelliter och NASA:s termosfär, Jonosfär, Mesosfärens energi och dynamik, eller TIMED, uppdrag, forskarna kunde se mönster i energi som rörde sig i den övre atmosfären.

"Överkylning är mest sannolikt att inträffa när mycket snabba och magnetiskt organiserade utstötningar från solen rasslar jordens magnetfält, sa Knipp. Långsamma moln eller dåligt organiserade moln har helt enkelt inte samma effekt.

Detta innebär att, kontraintuitivt, de mest energiska solstormarna kommer sannolikt att ge en netto kylande och krympande effekt på den övre atmosfären, snarare än att värma och expandera det som tidigare förståtts.

Konkurrerande med denna kylprocess är uppvärmningen som orsakas av solstormsenergi som tar sig in i jordens atmosfär. Även om forskare har vetat att solvindenergi så småningom når jonosfären, de har förstått lite om var, när och hur denna överföring sker. Nya observationer visar att processen är lokaliserad och impulsiv, och delvis beroende av själva jonosfärens tillstånd.

Traditionellt, forskare har trott att hur energin rör sig genom jordens magnetosfär och atmosfär bestäms av egenskaperna hos de inkommande partiklarna och magnetfälten i solvinden - till exempel, en lång, en stadig ström av solpartiklar skulle ge andra effekter än en snabbare, mindre konsekvent ström. Dock, nya data visar att hur energin rör sig är mycket närmare knuten till de mekanismer som magnetosfären och jonosfären är kopplade till.

"Energiöverföringsprocessen visar sig vara mycket lik hur blixtar bildas under ett åskväder, sa Bob Robinson, en rymdforskare vid NASA Goddard och Catholic University of America.

Under ett åskväder, en uppbyggnad av elektrisk potentialskillnad - kallad spänning - mellan ett moln och marken leder till en plötslig, våldsamma urladdningar av den elektriska energin i form av blixtar. Denna urladdning kan bara ske om det finns en elektriskt ledande väg mellan molnet och marken, kallad ledare.

Liknande, solvinden som träffar magnetosfären kan bygga upp en spänningsskillnad mellan olika regioner i jonosfären och magnetosfären. Elektriska strömmar kan bildas mellan dessa regioner, skapa den ledningsbana som behövs för att den uppbyggda elektriska energin ska laddas ur i jonosfären som en slags blixt.

"Terrestrial blixt tar flera millisekunder att inträffa, medan denna magnetosfär-jonosfär "blixt" varar i flera timmar - och mängden energi som överförs är hundratals till tusentals gånger större, sa Robinson, ledande forskare om dessa nya resultat. Dessa resultat är baserade på data från den globala Iridium-satellitkommunikationskonstellationen.

Eftersom solstormar förstärker de elektriska strömmarna som låter denna magnetosfär-jonosfärblixt äga rum, denna typ av energiöverföring är mycket mer sannolikt när jordens magnetfält stöts av en solhändelse.

Den enorma energiöverföringen från denna magnetosfär-jonosfärblixt är associerad med uppvärmning av jonosfären och övre atmosfären, samt ökat norrsken.

Ser fram emot

Även om forskare gör framsteg i att förstå nyckelprocesserna som driver förändringar i jonosfären och, i tur och ordning, på jorden, det finns fortfarande mycket att förstå. Under 2017, NASA lanserar två uppdrag för att undersöka denna dynamiska region:Ionospheric Connection Explorer, eller ICON, och globala observationer av lemmen och disken, eller GULD.

"Jonosfären reagerar inte bara på energitillförsel från solstormar, " sa Scott England, en rymdforskare vid University of California, Berkeley, som arbetar med både ICON- och GOLD-uppdragen. "Terrestriskt väder, som orkaner och vindmönster, kan forma atmosfären och jonosfären, förändra hur de reagerar på rymdväder."

ICON kommer samtidigt att mäta egenskaperna hos laddade partiklar i jonosfären och neutrala partiklar i atmosfären - inklusive de som formas av markväder - för att förstå hur de interagerar. GULD kommer att ta många av samma mätningar, men från geostationär bana, vilket ger en global bild av hur jonosfären förändras.

Både ICON och GOLD kommer att dra fördel av ett fenomen som kallas luftglöd - ljuset som sänds ut av gas som exciteras eller joniseras av solstrålning - för att studera jonosfären. Genom att mäta ljuset från luftglöd, forskare kan spåra den förändrade sammansättningen, densitet, och jämn temperatur för partiklar i jonosfären och neutral atmosfär.

ICONs position 350 miles över jorden kommer att göra det möjligt för den att studera atmosfären i profil, ger forskarna en aldrig tidigare skådad titt på jonosfärens tillstånd på en rad olika höjder. Under tiden, GULDs position 22, 000 miles över jorden kommer att ge den chansen att spåra förändringar i jonosfären när de rör sig över jordklotet, liknande hur en vädersatellit spårar en storm.

"Vi kommer att använda dessa två uppdrag tillsammans för att förstå hur dynamiska vädersystem återspeglas i den övre atmosfären, och hur dessa förändringar påverkar jonosfären, sa England.