Den 21 augusti 2017, Månen kommer att glida framför solen och för en kort stund, dagen smälter till en mörk natt. Att flytta över landet, Månens skugga kommer att blockera solens ljus, och om vädret tillåter, de som befinner sig i helhetens väg kommer att behandlas med en vy av solens yttre atmosfär, kallas corona.

Men den totala solförmörkelsen kommer också att ha omärkliga effekter, såsom den plötsliga förlusten av extrem ultraviolett strålning från solen, som genererar det joniserade lagret av jordens atmosfär, kallas jonosfären. Denna ständigt föränderliga region växer och krymper baserat på solförhållanden, och är i fokus för flera NASA-finansierade vetenskapsteam som kommer att använda förmörkelsen som ett färdigt experiment, artighet av naturen.

NASA drar fördel av solförmörkelsen den 21 augusti genom att finansiera 11 markbaserade vetenskapliga undersökningar över hela USA. Tre av dessa kommer att titta på jonosfären för att förbättra vår förståelse av solens förhållande till denna region, där satelliter kretsar och radiosignaler reflekteras tillbaka mot jorden.

"Förmörkelsen stänger av jonosfärens källa för högenergistrålning, sa Bob Marshall, en rymdforskare vid University of Colorado Boulder och huvudforskare för en av studierna. "Utan joniserande strålning, jonosfären kommer att slappna av, går från dagtid till nattförhållanden och sedan tillbaka igen efter förmörkelsen."

Sträcker sig från ungefär 50 till 400 miles över jordens yta, den tunna jonosfären är ett elektrifierat lager av atmosfären som reagerar på förändringar från både jorden under och rymden ovanför. Sådana förändringar i den lägre atmosfären eller rymdvädret kan visa sig som störningar i jonosfären som kan störa kommunikations- och navigeringssignaler.

"Under vår livstid, det här är den bästa förmörkelsen att se, sa Greg Earle, en el- och dataingenjör vid Virginia Tech i Blacksburg, Virginia, som leder en annan av studierna. "Men vi har också ett tätare nätverk av satelliter, GPS och radiotrafik än någonsin tidigare. Det är första gången vi kommer att ha en sådan mängd information för att studera effekterna av denna förmörkelse; vi kommer att drunkna i data."

Att fästa fast jonosfärisk dynamik kan vara knepigt. "Jämfört med synligt ljus, solens extrema ultravioletta effekt är mycket varierande, sa Phil Erickson, en huvudforskare av en tredje studie och rymdforskare vid Massachusetts Institute of Technologys Haystack Observatory i Westford, Massachusetts. "Det skapar variation i jonosfäriskt väder. Eftersom vår planet har ett starkt magnetfält, Laddade partiklar påverkas också längs magnetfältslinjer över hela planeten - allt detta betyder att jonosfären är komplicerad."

Men när helheten når den 21 augusti, forskare kommer att veta exakt hur mycket solstrålning som blockeras, markområdet det är blockerat över och hur länge. I kombination med mätningar av jonosfären under förmörkelsen, de kommer att ha information om både solinsignalen och motsvarande jonosfärsvar, gör det möjligt för dem att studera mekanismerna bakom jonosfäriska förändringar bättre än någonsin tidigare.

Att knyta samman de tre studierna är användningen av automatiserade kommunikations- eller navigeringssignaler för att undersöka jonosfärens beteende under förmörkelsen. Under typiska dag-natt-cykler, koncentrationen av laddade atmosfäriska partiklar, eller plasma, växer och avtar med solen.

"Under dagstid, jonosfäriskt plasma är tätt, " sa Earle. "När solen går ner, produktionen försvinner, laddade partiklar rekombinerar gradvis under natten och densiteten sjunker. Under förmörkelsen, vi förväntar oss den processen i ett mycket kortare intervall."

Ju tätare plasma, desto mer sannolikt är det att dessa signaler stöter på laddade partiklar på vägen från signalsändaren till mottagaren. Dessa interaktioner bryter, eller böja, vägen som signalerna tar. Under den förmörkelseinducerade konstgjorda natten förväntar sig forskarna starkare signaler, eftersom atmosfären och jonosfären kommer att absorbera mindre av den överförda energin.

"Om vi ​​sätter upp en mottagare någonstans, mätningar på den platsen ger information om den del av jonosfären mellan sändaren och mottagaren, Marshall sa. "Vi använder mottagarna för att övervaka signalens fas och amplitud. När signalen vickar upp och ner, som helt och hållet produceras av förändringar i jonosfären."

Genom att använda en rad olika elektromagnetiska signaler, vart och ett av lagen kommer att skicka signaler fram och tillbaka över hela vägen. Genom att övervaka hur deras signaler sprider sig från sändare till mottagare, de kan kartlägga förändringar i jonosfärisk densitet. Teamen kommer också att använda dessa tekniker för att samla in data före och efter förmörkelsen, så att de kan jämföra det väldefinierade förmörkelsesvaret med regionens baslinjebeteende, så att de kan urskilja de förmörkelserelaterade effekterna.

Undersöker jonosfären

Jonosfären är grovt uppdelad i tre regioner i höjd baserat på vilken våglängd av solstrålning som absorberas:D, E och F, där D är den nedersta regionen och F, den översta. I kombination, de tre experimentteamen kommer att studera hela jonosfären.

Marshall och hans team, från University of Colorado Boulder, kommer att undersöka D-regionens svar på förmörkelsen med mycket låg frekvens, eller VLF, radiosignaler. Detta är den lägsta och minst täta delen av jonosfären - och på grund av det, den minst förstådda.

"Bara för att densiteten är låg, betyder inte att det är oviktigt, Marshall sa. "D-regionen har konsekvenser för kommunikationssystem som aktivt används av många militärer, sjö- och ingenjörsverksamhet."

Marshalls team kommer att dra nytta av den amerikanska flottans befintliga nätverk av kraftfulla VLF-sändare för att undersöka D-regionens svar på förändringar i solenergi. Radiovågssändningar skickade från Lamoure, Norra Dakota, kommer att övervakas vid mottagningsstationer tvärs över förmörkelsebanan i Boulder, Colorado, och Bear Lake, Utah. De planerar att kombinera sina data med observationer från flera rymdbaserade uppdrag, inklusive NOAA:s geostationära operativa miljösatellit, NASA:s Solar Dynamics Observatory och NASA:s Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, för att karakterisera effekten av solens strålning på just detta område av jonosfären.

Erickson och teamet kommer att titta längre upp, till E- och F-regionerna i jonosfären. Använder över 6, 000 markbaserade GPS-sensorer tillsammans med kraftfulla radarsystem vid MIT:s Haystack Observatory och Arecibo Observatory i Puerto Rico, tillsammans med data från flera NASA rymdbaserade uppdrag, det MIT-baserade teamet kommer också att arbeta med medborgarradioforskare som kommer att skicka radiosignaler fram och tillbaka över långa avstånd över vägen.

MIT:s forskarteam kommer att använda sina data för att spåra resande jonosfäriska störningar – som ibland är ansvariga för rymdvädermönster i den övre atmosfären – och deras storskaliga effekter. Dessa störningar i jonosfären är ofta kopplade till ett fenomen som kallas atmosfäriska gravitationsvågor, som också kan utlösas av förmörkelser.

"Vi kan till och med se globala effekter, " Sa Erickson. "Jordens magnetfält är som en tråd som förbinder två olika hemisfärer. Närhelst elektriska variationer inträffar i en halvklot, de dyker upp i den andra."

Earle och hans Virginia Tech-baserade team kommer att stationera sig över hela landet i Bend, Oregon; Holton, Kansas; och Shaw Air Force Base i Sumter, South Carolina. Genom att använda toppmoderna transceiverinstrument som kallas jonosoder, de kommer att mäta jonosfärens höjd och densitet, och kombinera sina mätningar med data från ett rikstäckande GPS-nätverk och signaler från hamradion Reverse Beacon Network. Teamet kommer också att använda data från SuperDARN högfrekventa radar, varav två ligger längs förmörkelsevägen i Christmas Valley, Oregon, och Hays, Kansas.

"Vi tittar på undersidan av F-regionen, och hur det förändras under förmörkelsen, ", sa Earle. "Det här är den del av jonosfären där förändringar i signalutbredning är starka." Deras arbete kan en dag hjälpa till att mildra störningar av radiosignalutbredning, som kan påverka AM-sändningar, skinkradio och GPS-signaler.

I sista hand, forskarna planerar att använda sina data för att förbättra modeller för jonosfärisk dynamik. Med dessa oöverträffade datamängder, de hoppas kunna förbättra vår förståelse av denna förvirrande region.

"Andra har studerat förmörkelser genom åren, men med mer instrumentering, vi blir bättre på vår förmåga att mäta jonosfären, " Sa Erickson. "Det brukar avslöja frågor som vi aldrig tänkt ställa."