En speciell typ av norrsken, draperad öst-väst över natthimlen som ett glödande pärlhalsband, hjälper forskare att bättre förstå vetenskapen om norrsken och deras kraftfulla drivkrafter ute i rymden. Kända som norrskenspärlor, dessa lampor dyker ofta upp precis innan stora norrskensskärmar, som orsakas av elektriska stormar i rymden som kallas substormar. Tidigare, forskare var inte säkra på om norrskenspärlor på något sätt är kopplade till andra norrskensskärmar som ett fenomen i rymden som föregår substormar, eller om de orsakas av störningar närmare jordens atmosfär.

Men kraftfulla nya datormodeller i kombination med observationer från NASAs tidshistoria om händelser och makroskalainteraktioner under substorms—THEMIS—uppdraget har gett de första starka bevisen på händelserna i rymden som leder till uppkomsten av dessa pärlor, och visade den viktiga roll de spelar i vår närmiljö.

"Nu vet vi med säkerhet att bildandet av dessa pärlor är en del av en process som föregår utlösandet av en substorm i rymden, sade Vassilis Angelopoulos, chefsutredare för THEMIS vid University of California, Los Angeles. "Detta är en viktig ny pusselbit."

Genom att ge en bredare bild än vad som kan ses med de tre THEMIS-rymdfarkosterna eller markobservationer enbart, de nya modellerna har visat att norrskens pärlor orsakas av turbulens i plasma - ett fjärde tillstånd av materia, består av gasformiga och starkt ledande laddade partiklar som omger jorden. Resultaten, nyligen publicerat i tidskrifterna Geofysiska forskningsbrev och Journal of Geophysical Research:Space Physics , kommer i slutändan att hjälpa forskare att bättre förstå hela spektrumet av virvlande strukturer som ses i norrskenet.

"THEMIS observationer har nu avslöjat turbulenser i rymden som orsakar flöden som ses lysa upp himlen som av enstaka pärlor i det glödande norrskenshalsbandet, " sa Evgeny Panov, huvudförfattare på en av de nya tidningarna och THEMIS-forskare vid rymdforskningsinstitutet vid den österrikiska vetenskapsakademin. "Dessa turbulenser i rymden orsakas initialt av lättare och smidigare elektroner, rör sig med vikten av partiklar 2000 gånger tyngre, och som teoretiskt kan utvecklas till fullskaliga norrskens substormar."

Mysteries of Auroral Beads Formation

Norrsken skapas när laddade partiklar från solen fångas i jordens magnetiska miljö - magnetosfären - och leds in i jordens övre atmosfär, där kollisioner orsakar väte, syre, och kväveatomer och molekyler att glöda. Genom att modellera miljön nära jorden på skalor från tiotals miles till 1,2 miljoner miles, THEMIS-forskarna kunde visa detaljerna om hur norrskens pärlor bildas.

När strömmande moln av plasma rapade av solen passerar jorden, deras interaktion med jordens magnetfält skapar flytande bubblor av plasma bakom jorden. Som en lavalampa, obalanser i flytkraften mellan bubblorna och tyngre plasma i magnetosfären skapar fingrar av plasma 2, 500 mil breda som sträcker sig ner mot jorden. Signaturer av dessa fingrar skapar den distinkta pärlformade strukturen i norrskenet.

"Det har funnits en insikt om att allt sammanfattat, dessa relativt små övergående händelser som händer runt magnetosfären är på något sätt viktiga, sa David Sibeck, THEMIS-projektforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi har först nyligen kommit till den punkt där datorkraften är tillräckligt bra för att fånga den grundläggande fysiken i dessa system."

Nu när forskare förstår att norrskenspärlorna går före substormar, de vill ta reda på hur varför och när pärlorna kan utlösa en fullblåst substorm. Åtminstone i teorin, fingrarna kan trassla till magnetfältslinjer och orsaka en explosiv händelse som kallas magnetisk återkoppling, som är välkänt för att skapa fullskaliga substormar och norrsken som fyller natthimlen.

Nya modeller öppnar nya dörrar

Sedan lanseringen 2007, THEMIS har gjort detaljerade mätningar när den passerar genom magnetosfären för att förstå orsakerna till de understormar som leder till norrsken. I sitt främsta uppdrag, THEMIS kunde visa att magnetisk återkoppling är en primär drivkraft för substormar. De nya resultaten belyser vikten av strukturer och fenomen i mindre skalor - de hundratals och tusentals miles över i jämförelse med de som sträcker sig över miljontals miles.

"För att förstå dessa egenskaper i norrskenet, du behöver verkligen lösa både globala och mindre, lokala skalor. Det är därför det var så utmanande hittills, sa Slava Merkin, medförfattare på en av de nya tidningarna och vetenskapsman vid NASA:s Center for Geospace Storms med huvudkontor vid Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland. "Det kräver mycket sofistikerade algoritmer och mycket stora superdatorer."

De nya datorsimuleringarna matchar nästan perfekt THEMIS och markobservationer. Efter den första framgången med de nya datormodellerna, THEMIS forskare är ivriga att tillämpa dem på andra oförklarade norrskensfenomen. Särskilt när det gäller att förklara småskaliga strukturer, datormodeller är viktiga eftersom de kan hjälpa till att tolka vad som händer mellan utrymmena där de tre THEMIS-rymdfarkosterna passerar.

"Det finns mycket mycket dynamiskt, mycket småskaliga strukturer som människor ser i norrskenet som är svåra att koppla till den större bilden i rymden eftersom de sker mycket snabbt och i mycket liten skala, " sa Kareem Sorathia, huvudförfattare på en av de nya tidningarna och vetenskapsman vid NASA:s Center for Geospace Storms med huvudkontor vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. "Nu när vi kan använda globala modeller för att karakterisera och undersöka dem, som öppnar upp många nya dörrar."