En speciel type nordlys, draperet øst-vest hen over nattehimlen som en glødende perlehalskæde, hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå videnskaben om nordlys og deres kraftfulde drivere ude i rummet. Disse lys, der er kendt som nordlysperler, dukker ofte op lige før store nordlysskærme, som er forårsaget af elektriske storme i rummet kaldet understorme. Tidligere var videnskabsmænd ikke sikre på, om nordlysperler på en eller anden måde er forbundet med andre nordlysskærme som et fænomen i rummet, der går forud for substorme, eller om de er forårsaget af forstyrrelser tættere på Jordens atmosfære.
Men kraftfulde nye computermodeller kombineret med observationer fra NASA's Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms - THEMIS - mission har givet det første stærke bevis på de begivenheder i rummet, der fører til fremkomsten af disse perler, og demonstreret den vigtige rolle, de spiller i vores nærrumsmiljø.
"Nu ved vi med sikkerhed, at dannelsen af disse perler er en del af en proces, der går forud for udløsningen af en substorm i rummet," sagde Vassilis Angelopoulos, hovedefterforsker af THEMIS ved University of California, Los Angeles. "Dette er en vigtig ny brik i puslespillet."
Ved at give et bredere billede, end det kan ses med de tre THEMIS-rumfartøjer eller jordobservationer alene, har de nye modeller vist, at nordlysperler er forårsaget af turbulens i plasmaet - en fjerde tilstand af stof, der består af gasformig og stærkt ledende ladede partikler - omkring Jorden. Resultaterne, der for nylig er offentliggjort i tidsskrifterne Geophysical Research Letters og Journal of Geophysical Research: Space Physics, vil i sidste ende hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå hele spektret af hvirvlende strukturer set i nordlyset.
"THEMIS-observationer har nu afsløret turbulenser i rummet, der forårsager strømninger, der ses lyser himlen op som af enkelte perler i den glødende nordlyshalskæde," sagde Evgeny Panov, hovedforfatter på et af de nye aviser og THEMIS-videnskabsmand ved Rumforskningsinstitut under det østrigske videnskabsakademi."Disse turbulenser i rummet er oprindeligt forårsaget af lettere og mere adrætte elektroner, der bevæger sig med vægten af partikler 2000 gange tungere, og som teoretisk set kan udvikle sig til fuldskala nordlys understorme."
Mysteries of Auroral Beads Formation
Nordlys skabes, når ladede partikler fra Solen fanges i Jordens magnetiske miljø - magnetosfæren - og ledes ind i Jordens øvre atmosfære, hvor kollisioner får brint-, oxygen- og nitrogenatomer og -molekyler til at gløde. Ved at modellere det nære Jord-miljø på skalaer fra 100 km til 1,2 millioner miles, var THEMIS-forskerne i stand til at vise detaljerne om, hvordan nordlysperler dannes.
Når streamende skyer af plasma, der opstødes af Solen, passerer Jorden, skaber deres interaktion med Jordens magnetfelt flydende plasmabobler bag Jorden. Som en lavalampe skaber ubalancer i opdriften mellem boblerne og tungere plasma i magnetosfæren fingre af plasma 2.500 miles brede, der strækker sig ned mod Jorden. Signaturer af disse fingre skaber den distinkte perleformede struktur i nordlyset.
"Der har været en erkendelse af, at alt sammen opsummeret er disse relativt små forbigående begivenheder, der sker omkring magnetosfæren, på en eller anden måde vigtige," sagde David Sibeck, THEMIS-projektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi er først for nylig nået til det punkt, hvor computerkraft er god nok til at fange den grundlæggende fysik i disse systemer."
Nu hvor forskerne forstår, at nordlysperlerne går forud for substorme, vil de finde ud af, hvordan, hvorfor og hvornår perlerne kan udløse en fuldblæst understorm. I det mindste i teorien kan fingrene sammenfiltre magnetiske feltlinjer og forårsage en eksplosiv begivenhed kendt som magnetisk genforbindelse, som er velkendt for at skabe fuldskala understorme og nordlys, der fylder nattehimlen.
Nye modeller åbner nye døre
Siden lanceringen i 2007 har THEMIS foretaget detaljerede målinger, mens den passerer gennem magnetosfæren for at forstå årsagerne til de understorme, der fører til nordlys. I sin primære mission var THEMIS i stand til at vise, at magnetisk genforbindelse er en primær drivkraft for substorme. De nye resultater fremhæver vigtigheden af strukturer og fænomener i mindre skalaer - de hundreder og tusinder af miles på tværs sammenlignet med dem, der spænder over millioner af miles.
"For at forstå disse funktioner i nordlyset, er du virkelig nødt til at løse både globale og mindre, lokale skalaer. Det er derfor, det var så udfordrende indtil nu," sagde Slava Merkin, medforfatter på en af de nye papirer og videnskabsmand ved NASA's Center for Geospace Storms med hovedkvarter på Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland. "Det kræver meget sofistikerede algoritmer og meget store supercomputere."
De nye computersimuleringer matcher næsten perfekt THEMIS og jordobservationer. Efter den første succes med de nye computermodeller er THEMIS-forskere ivrige efter at anvende dem på andre uforklarlige nordlysfænomener. Især til at forklare småskalastrukturer er computermodeller essentielle, da de kan hjælpe med at fortolke, hvad der sker mellem de rum, hvor de tre THEMIS-rumfartøjer passerer.
"Der er masser af meget dynamiske strukturer i meget lille skala, som folk ser i nordlyset, som er svære at forbinde til det større billede i rummet, da de sker meget hurtigt og i meget små skalaer," sagde Kareem Sorathia, hovedforfatter på en af de nye artikler og videnskabsmand ved NASA's Center for Geospace Storms med hovedkvarter på Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. "Nu hvor vi kan bruge globale modeller til at karakterisere og undersøge dem, åbner det op for en masse nye døre."
Lær mere om NASA's THEMIS- og ARTEMIS-missioner:
