Utbrott på solens yta skickar moln av elektriskt laddade partiklar mot jorden, producerar solstormar som bland annat kan utlösa det vackra norrskenet över de arktiska områdena.

Men stormarna kan också ha en stark inverkan på effektiviteten hos kommunikations- och navigationssystem på höga breddgrader. Det är därför viktigt att studera fenomenen.

Ny forskning från DTU Space och University of New Brunswick (Prof. Richard Langley), NASA Jet Propulsion Laboratory (Dr. Attila Komjathy) och University of Illinois (Dr. Mark D. Butala) visar att, tydligen, det finns en överraskande och okänd mekanism i spel under solstormar. Under solstormar, stora skurar av elektroner skickas vanligtvis till den del av jordens atmosfär som kallas jonosfären, som börjar cirka 80 kilometer över jorden.

Detta fenomen förekommer särskilt på höga breddgrader. Det händer eftersom magnetfältet som skapas av utbrottet på solen stör jordens magnetfält. Det öppnar, så att säga, upp för att låta partiklar och elektroner - som annars skulle reflekteras - tränga igenom jonosfären.

Det är ett känt fenomen. Men det visar sig att elektroner samtidigt försvinner från stora områden, som inte har visats tidigare.

"Vi gjorde omfattande mätningar i samband med en specifik solstorm över Arktis 2014, och här fann vi att elektroner i stora mängder praktiskt taget dammsugas från områden som sträcker sig över 500 till 1, 000 kilometer. Det sker strax söder om ett område med kraftiga ökningar i elektrontäthet, känd som lappar, säger professor Per Høeg från DTU Space.

Resultaten av forskningen publicerades nyligen på framsidan av den berömda vetenskapliga tidskriften Radiovetenskap . Upptäckten är en viktig del i pusslet för att förstå solstormar och deras inverkan på jordens jonosfär.

Det är en överraskande upptäckt som vi inte hade väntat oss. Vi kan se att det händer, men vi vet inte varför. Dock, andra datamängder från Kanada stöder indirekt våra nya observationer, säger Per Høeg.

Dramatiska förändringar i magnetfält

Förklaringen av fenomenet bör troligen finnas i de geomagnetiska processerna i jordens magnetfält i en riktning bort från solen. Magnetfältets sammansättning genomgår dramatiska förändringar i området mellan solvinden och jordens magnetfält, utlöser kraftfull energisprång.

"Föregångaren till fenomenet är ett våldsamt utbrott på solens yta - även känt som koronala massutstötningar eller CME, där bubblor av het plasma och gas i form av partiklar, elektroner, och ett magnetfält kastas i jordens riktning, säger Per Høeg.

När den geomagnetiska solstormen ägde rum i jonosfären över Arktis i februari 2014, den mättes via satelliter och landbaserade mätstationer. Bland annat, via GPS -nätverket GNET i Grönland - som DTU hjälper till att köra - via DTU:s geomagnetiska mätstationer, det globala navigationssystemet GPS, och olika amerikanska och kanadensiska satelliter. Således, stora datavolymer från solstormen registrerades.

Forskningen sträcker sig långt bortom upptäckten att elektroner dras ut under solstormar. Tibor Durgonics, Doktorand vid DTU Space och huvudförfattare till den nya artikeln i Radiovetenskap :

"Det finns två aspekter av denna forskning. Den kan båda användas för ett antal praktiska ändamål, och sedan finns det en teoretisk del som handlar om att uppnå en bättre grundläggande förståelse av dessa fenomen.

"Vårt arbete kan bidra till att göra navigering mer tillförlitlig under jonosfäriska stormar i den arktiska regionen. Vår nya forskning har gjort det möjligt för oss att identifiera ett antal kritiska faktorer som påverkar kvaliteten på satellitbaserad navigering, och att bedöma sannolikheten för när dessa faktorer kan inträffa. På en mer teoretisk nivå, vi har fått reda på att under solstormar, elektroner avlägsnas i jonosfären, vilket är motsatsen till vad du intuitivt skulle förvänta dig. "

När magnetfältet från solutbrott träffar jordens magnetfält i jonosfären, deras kraftfält är blandade. Följaktligen, instabila områden-så kallade fläckar-skapas i jordens jonosfär, sträcker sig över stora områden nära nordpolen. Området med fläckar vid polarhatten kan sträcka sig över 500 till 1, 000 kilometer med elektronhastigheter som överstiger 1, 000 meter per sekund. Detta ger upphov till svallande kraftfulla norrsken och skapar turbulenta förhållanden.

Stör navigations- och kommunikationssystem

Kunskap om solstormar är viktig, eftersom kommunikation med luftburna signaler via satelliter och radio spelar en allt viktigare roll i samhället. Solstormar kan störa GPS -satelliter och deras signaler, få radiokommunikation att misslyckas, och orsaka omfattande strömavbrott.

Risken för störningar i jonosfären är en av anledningarna till att inga rutinflyg görs över Arktis, även om detta skulle förkorta flygresor mellan Europa och Amerika. Högfrekventa signaler som används av kommersiella flygningar över Grönland kommer att utsättas för störningar under solstormar. Möjligheten att förutsäga och ta hänsyn till denna typ av förhållanden är därför viktig för framtida kommersiell flygtrafik i regionen. Detsamma gäller marin trafik i Arktis.

Professor Per Høeg hoppas att arbetet på DTU Space - förutom att säkerställa mer kunskap om fenomenet - kommer att bidra till utvecklingen av kommunikations- och navigationssystem som kan ta hänsyn till förhållanden under solstormar för att säkerställa säkra flygningar och segling i polaren lockområden.

DTU Space deltar för närvarande i flera forskningsprojekt under ESA och EU:s Horizon 2020 -program som utvecklar system som kan hantera förhållandena under rymdväder och solstormförhållanden för luftfart och marin trafik, bland annat.