Peter Tucker
0 
3403
342
Een dichte laag moleculen en elektrisch geladen deeltjes, de ionosfeer genaamd, hangt in de bovenste atmosfeer van de aarde vanaf ongeveer 60 kilometer boven het aardoppervlak en strekt zich uit tot meer dan 1000 kilometer. Van bovenaf komende zonnestraling buffert deeltjes die in de atmosferische laag zweven. Radiosignalen van onderaf kaatsen via de ionosfeer terug naar instrumenten op de grond. Waar de ionosfeer elkaar overlapt met magnetische velden, barst de lucht uit in schitterende lichtshows die ongelooflijk zijn om te zien.
Waar is de ionosfeer?
De atmosfeer van de aarde bestaat uit verschillende afzonderlijke lagen, waaronder de mesosfeer, die begint op 50 km hoogte, en de thermosfeer, die begint op 85 km hoogte. De ionosfeer bestaat uit drie secties binnen de mesosfeer en thermosfeer, aangeduid als de D-, E- en F-lagen, volgens het UCAR Center for Science Education.
Extreme ultraviolette straling en röntgenstralen van de zon bombarderen deze bovenste delen van de atmosfeer en treffen de atomen en moleculen die zich in die lagen bevinden. De krachtige straling maakt negatief geladen elektronen los van de deeltjes, waardoor de elektrische lading van die deeltjes verandert. De resulterende wolk van vrije elektronen en geladen deeltjes, ionen genaamd, leidde tot de naam 'ionosfeer'. Het geïoniseerde gas of plasma vermengt zich met de dichtere, neutrale atmosfeer.
De concentratie van ionen in de ionosfeer varieert met de hoeveelheid zonnestraling die op de aarde valt. De ionosfeer groeit overdag dicht met geladen deeltjes, maar die dichtheid neemt 's nachts af als geladen deeltjes recombineren met verplaatste elektronen. Volgens NASA verschijnen en verdwijnen tijdens deze dagelijkse cyclus hele lagen van de ionosfeer. Zonnestraling fluctueert ook over een periode van 11 jaar, wat betekent dat de zon afhankelijk van het jaar meer of minder straling kan uitstralen.
Explosieve zonnevlammen en vlagen van zonnewind veroorzaken plotselinge veranderingen in de ionosfeer, waarbij ze samenwerken met grote hoogtewinden en zware weersystemen die op de aarde beneden broeien.
Verlicht de lucht
Het verzengende hete oppervlak van de zon verdrijft stromen van sterk geladen deeltjes, en deze stromen staan bekend als zonnewind. Volgens NASA's Marshall Space Flight Center vliegt zonnewind door de ruimte met ongeveer 25 mijl (40 km) per seconde. Bij het bereiken van het magnetische veld van de aarde en de ionosfeer beneden, veroorzaakten zonnewinden een kleurrijke chemische reactie in de nachtelijke hemel, een aurora genaamd.
Wanneer zonnewinden over de aarde razen, blijft de planeet afgeschermd achter zijn magnetische veld, ook wel bekend als de magnetosfeer. De magnetosfeer wordt gegenereerd door gesmolten ijzer in de kern van de aarde te karnen en stuurt zonnestraling naar beide polen. Daar botsen de geladen deeltjes met chemicaliën die in de ionosfeer ronddraaien en de betoverende aurora's genereren.
Wetenschappers hebben ontdekt dat het eigen magnetische veld van de zon de zwakkere van de aarde platdrukt en aurora's naar de nachtkant van de planeet verschuift, zoals gerapporteerd door Popular Mechanics.
In de buurt van de Arctische en Antarctische cirkels schieten volgens National Geographic elke nacht aurora's door de lucht. De kleurrijke lichtgordijnen, bekend als respectievelijk de aurora borealis en aurora australis, hangen ongeveer 1000 kilometer boven het aardoppervlak. De aurora's gloeien groen-geel wanneer ionen zuurstofdeeltjes in de lagere ionosfeer raken. Roodachtig licht bloeit vaak langs de randen van de aurora's, en paars en blauw verschijnen ook in de nachtelijke hemel, hoewel dit zelden gebeurt.
"De oorzaak van aurora is enigszins bekend, maar het is niet helemaal opgelost", zegt Toshi Nishimura, een geofysicus aan de Boston University. "Wat bijvoorbeeld een bepaald type kleur van aurora veroorzaakt, zoals paars, is nog steeds een raadsel."
Wie is Steve?
Naast aurora's zijn er in de ionosfeer ook andere indrukwekkende lichtshows te zien.
In 2016 zagen burgerwetenschappers een bijzonder in het oog springend fenomeen, dat wetenschappers moeite hadden om uit te leggen, meldde zustersite Space.com eerder. Heldere rivieren van wit en roze licht stroomden over Canada, dat verder naar het zuiden ligt dan de meeste aurora's lijken. Af en toe voegden er streepjes groen zich bij. De mysterieuze lichten werden Steve genoemd als eerbetoon aan de animatiefilm "Over the Hedge" en werden later omgedoopt tot de "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" - nog steeds afgekort tot STEVE.
"We hebben de aurora honderden jaren bestudeerd, en we kunnen en kunnen nog steeds niet uitleggen wat Steve is", zegt Gareth Perry, een ruimteweerwetenschapper aan het New Jersey Institute of Technology. "Het is interessant omdat de emissies en eigenschappen ervan anders zijn dan al het andere dat we waarnemen, althans met optica, in de ionosfeer."
Volgens een studie uit 2019 in het tijdschrift Geophysical Research Letters kunnen de groene strepen binnen STEVE zich op dezelfde manier ontwikkelen als traditionele aurora's, wanneer geladen deeltjes op de atmosfeer regenen. In STEVE lijkt de rivier van licht echter te gloeien wanneer deeltjes in de ionosfeer met elkaar in botsing komen en onderling warmte genereren.
Communicatie en navigatie
Hoewel reacties in de ionosfeer de lucht met schitterende tinten schilderen, kunnen ze ook radiosignalen verstoren, navigatiesystemen verstoren en soms wijdverbreide stroomuitval veroorzaken.
De ionosfeer reflecteert radiotransmissies onder de 10 megahertz, waardoor het leger, luchtvaartmaatschappijen en wetenschappers radar- en communicatiesystemen over lange afstanden met elkaar kunnen verbinden. Deze systemen werken het beste als de ionosfeer glad is, zoals een spiegel, maar ze kunnen worden verstoord door onregelmatigheden in het plasma. GPS-transmissies gaan door de ionosfeer en dragen daarom dezelfde kwetsbaarheden.
"Tijdens grote geomagnetische stormen, of ruimteweergebeurtenissen, kunnen stromingen [in de ionosfeer] andere stromingen in de grond, elektriciteitsnetten, pijpleidingen enz. Veroorzaken en grote schade aanrichten", zei Perry. Een van die zonnestormen veroorzaakte de beroemde stroomuitval in Quebec in 1989. "Dertig jaar later zijn onze elektrische systemen nog steeds kwetsbaar voor dergelijke gebeurtenissen."
Wetenschappers bestuderen de ionosfeer met behulp van radars, camera's, satellietgebonden instrumenten en computermodellen om de fysische en chemische dynamiek van de regio beter te begrijpen. Gewapend met deze kennis hopen ze verstoringen in de ionosfeer beter te kunnen voorspellen en problemen te voorkomen die op de ondergrond kunnen ontstaan..
Aanvullende bronnen:
- Bekijk een diavoorstelling van fantastische aurora's van National Geographic.
- Ontdek hoe GPS werkt met het Smithsonian National Air and Space Museum.
- Bekijk een animatie van het magnetische veld van de aarde in actie, van Nova en de Khan Academy.