Når Solens overflade går i udbrud sendes skyer af elektrisk ladede partikler mod Jorden, og så opstår solstorme, der blandt andet kan udløse det smukke nordlys over arktiske egne. Men stormene kan også have kraftig indvirkning på kommunikations- og navigationssystemers effektivitet på de høje breddegrader.
Derfor er fænomenerne vigtige at undersøge.
Nu viser ny forskning fra DTU Space, at der tilsyneladende er en overraskende og ukendt mekanisme på spil under solstormene. Sædvanligvis sendes store pulser af elektroner ind i den del af Jordens atmosfære, der kaldes ionosfæren, som begynder omkring 80 kilometer over Jorden, når solstormene rammer.
Dette fænomen optræder især på høje breddegrader. Det kan ske, fordi det magnetfelt, som udbruddet på solen danner, griber ind i Jordens eget magnetfelt. Der lukkes så at sige op for, at partikler og elektroner, der ellers ville blive bøjet af, kan trænge ind i ionosfæren.
Det er et kendt fænomen. Men det viser sig, at der samtidig forsvinder elektroner fra store områder, hvilket ikke er påvist tidligere.
“Vi har foretaget omfattende målinger i forbindelse med en konkret solstorm over Arktis i 2014, og her har vi konstateret, at elektroner i store mængder nærmest støvsuges ud fra områder, der strækker sig over 500 til 1.000 kilometer. Det sker lige syd for et område med kraftige forøgelser af elektrontætheden, som kaldes patches”, siger professor Per Høeg fra DTU Space.
Resultaterne af forskningen er for nylig offentliggjort på forsiden af det ansete videnskabelige tidsskrift Radio Science. Opdagelsen er en vigtig brik i puslespillet med at forstå solstormene og deres spor i Jordens ionosfære.
“Det er en overraskende opdagelse, vi ikke havde ventet. Vi kan se, at det sker, men vi ved ikke helt hvorfor. Andre datasæt fra Canada understøtter dog indirekte vores nye observationer”, siger Per Høeg.
Voldsomme ændringer i magnetfeltet
Forklaringen på fænomenet skal formentlig findes i de geomagnetiske processer i jordens magnetfelt i retning væk fra solen. Voldsomme ændringer finder sted i magnetfeltets sammensætning i området mellem solvinden og jordens magnefelt, og udløser kraftig energi.
“Forløberen til fænomenet er et voldsomt udbrud på solens overflade, også kaldet coronal mass ejection eller CME, hvor solen bobler op, og slynger varm plasma og gas i form af partikler, elektroner og et magnetfelt i retning af Jorden”, siger Per Høeg.
"Elektroner i store mængder nærmest støvsuges ud fra områder, der strækker sig over 500 til 1.000 kilometer. Det er en overraskende opdagelse, vi ikke havde ventet"
Per Høeg, professor DTU Space
Da den geomagnetiske solstorm fandt sted i ionosfæren over Arktis i februar 2014 blev den målt via satellitter og fra jordbaserede målestationer. Blandt andet via GPS-netværket GNET på Grønland, som DTU er med til at drive, via DTU’s geomagnetiske målestationer, det globale navigationssystem GPS samt forskellige amerikanske og canadiske satellitter. Dermed blev der registreret store mængder data fra solstormen.
Forskningen rækker langt videre end opdagelsen af, at der trækkes elektroner ud under solstorme. Det fortæller Tibor Durgonics, der er ph.d.-studerende på DTU Space og hovedforfatter til den nye artikel i Radio Science.
“Der er to aspekter af forskningen. Dels kan den bruges til en række praktiske formål, desuden er der en teoretisk del, som handler om grundlæggende bedre at forstå de her fænomener”, siger Tibor Durgonics.
“Vores arbejde kan være med til at gøre navigation mere sikker under ionosfæriske storme i det arktiske område. Med den nye forskning har vi identificeret nogle kritiske faktorer, som påvirker kvaliteten af satellitbaseret navigation, og set på sandsynligheden for, hvornår disse faktorer kan indtræffe. På det mere teoretiske plan har vi fundet ud, af der fjernes elektroner i ionosfæren under solstormene, hvilket er det modsatte af, hvad man intuitivt ville forvente”.
Når magnetfeltet fra soludbrudene rammer jordens magnetfelt i ionosfæren, så sammenblandes deres kraftfelter. Derved dannes ustabile områder, der i jordens ionosfære kaldes patches, og strækker sig over store områder nær nordpolen. Området af patches ved polkappen kan i den forbindelse strække sig over 500 til 1.000 km med elektronhastigheder over 1.000 meter pr. sekund. Det giver anledning til kraftigt nordlys og skaber turbulente forhold.
Forstyrrer navigations- og kommunikationssystemer
Viden om solstorme er vigtig, da kommunikation med luftbårne signaler via satellitter og radio spiller en større og større rolle i samfundet. Solstormene kan forstyrre GPS-satellitter og deres signaler, få radiokommunikation til at svigte og forårsage omfattende strømsvigt, som det eksempelvis er sket i Sverige.
“Det bliver i stigende grad vigtigt at kunne tage højde for solstorme i og med at mere og mere af vores infrastruktur er basseret på, at der sendes signaler gennem luften via kommunikations- og navigationssystemer. Derfor arbejder vi på at kunne beskrive og forudsige de geofysiske ændringer på høje breddegrader mere præcist, så der blandt andet kan tages højde for det i fremtidigt kommunikationsudstyr”, forklarer Per Høeg.
Risikoen for forstyrrelser i ionosfæren er for eksempel årsagen til, at der i dag ikke flyves rutinemæssigt over Arktis, selv om det ville afkorte flyrejsen mellem Europa og Amerika. De højfrekvente signaler, som rutefly på vej henover Grønland anvender, vil blive udsat for forstyrrelser under solstorme. Derfor er det vigtigt for fremtidig kommerciel flytrafik i regionen at kunne forudsige og tage højde for den slags forhold så præcist som muligt. Det samme gælder skibstrafik i Arktis.
Per Høeg håber, at arbejdet på DTU Space udover at sikre mere viden om fænomenet også kan bidrage til, at der kan udvikles kommunikations- og navigationsystemer, som kan tage højde for forholdene under solstorme, så der kan flyves og sejles effektivt og sikkert i området.
“Vi oplever stor interesse for det her felt. Især vores seneste resultater har vakt opsigt hos amerikanske og canadiske forskningsinstitutioner”, siger han.
DTU Space deltager i øjeblikket i flere forskningsprojekter under ESA og EU's Horizon 2020 program, hvor der arbejdes med at udvikle systemer, der kan håndtere forholdene under rumvejr og solstorme for blandt andet luftfart og skibstrafik.
Det får i stigende grad betydning at kunne beskrive og forudsige effekterne af rumvejr, der skyldes udbrud på Solens overflade. Solstorme udløser i ionosfæren - i højder omkring 80-100 kilometer over Jorden - store variationer i elektrontætheden og ændringer i jordens magnetfelt. Det forårsager kraftige forstyrrelser til gene for udstyr til kommunikation og navigation.
Det forklarer internationalt anerkendte forskere og samarbejdspartnere i forbindelse med, at DTU Space netop har udgivet en ny videnskabelig artikel om en omfattende solstorm, der ramte Grønland i 2014.
Ifølge medforfatter til artiklen dr. Attila Komjathy fra Jet Propulsion Laboratory (JPL) på California Institute of Technology, kan en række installationer på Jorden påvirkes af rumvejret:
“En forstyrrende ionosfære kan eksempelvis påvirke fly over Nordpolen. Ifølge luftfartsregulativer kan fly blive omdirigeret eller tvunget til at lande under udfald af kommunikationssystemer. Forholdene i ionosfæren er også kritiske for NASA’s Deep Space Network, der benytter sig af direkte kommunikation med rumfartøjer, som kan påvirkes. Så jo mere præcist vi kan måle forstyrrelser, forårsaget af ionosfæren, desto mere præcis navigation kan vi opnå”, siger han.
Professor Richard Langley ved University of New Brunswick i Canada forklarer, at studier af den arktiske ionosfære er vigtige, fordi de dynamiske processer her adskiller sig fra forholdene på sydligere breddegrader:
“En bedre forståelse af dynamikken i den arktiske ionosfære, især under og efter de geomagnetiske storme, kan føre til bedre forudsigelser af effekterne på satellitnavigation, satellitkommunikation og landbaseret højfrekvens-kommunikation i Arktis”, siger han og fastslår, at sikker navigation og kommunikation i Arktis i stigende grad bliver vigtigt som følge af den vigende mængde havis, der øger mulighederne for skibsfart i Ishavet.
“Arktiske nationer planlægger at etablere flere havne og redningsfaciliteter i Arktis, og de vil også have fordel af bedre forudsigelser omkring brugbarheden af kommunikationssystemer under perioder med ionosfæriske forstyrrelser”.
På et mere teoretisk plan er det ifølge professor Hans Pecseli ved Oslo Universitet i de senere år erkendt, at de turbulente fænomener, der finder sted nær Jorden i forbindelse med soludbrud, skal gribes an på en ny måde for at øge forståelsen af dem:
“Diffusion og transport af plasma i interaktionen mellem solvinden og jordens magnetosfære leder til pludselige elektrontæthedsforøgelser i ionosfæren af ikke-lineære strukturer under solstorme - et emne, den nye artikel beskriver - og som bedst undersøges og forstås ved at kombinere eksperimentelle og numeriske metoder. Det er processer, som også observeres i resten af vort univers", siger Hans Pecseli.