오로라는 언제 오로라가 아닌가?

북극광과 남극광의 반짝이는 녹색, 빨간색, 보라색 커튼인 오로라는 밤하늘을 밝히는 가장 잘 알려진 현상일 수 있지만 가장 신비로운 것은 스티브와 그 자주 동반되는 연보라색과 흰색 줄무늬입니다. 빛나는 녹색 “말뚝 울타리”.

2018년에 처음으로 일반적인 오로라와 구별되는 것으로 인식된 스티브(2006년 어린이 영화에서 무서운 울타리가 붙은 온화한 이름을 농담으로 언급함)와 관련 울타리는 그럼에도 불구하고 동일한 오로라에 의해 발생하는 것으로 생각되었습니다. 물리적 과정. 그러나 과학자들은 이러한 빛나는 방출이 어떻게 생성되는지에 대해 머리를 긁적였습니다.

버클리 캘리포니아 대학교 물리학 대학원생인 Claire Gasque는 이제 잘 알려진 오로라를 일으키는 과정과는 완전히 다른 이러한 현상에 대한 물리적 설명을 제안했습니다. 그녀는 캠퍼스의 우주 과학 연구소(SSL) 연구원들과 팀을 이루어 NASA가 그녀의 말이 맞는지 알아보기 위해 오로라 중심부에 로켓을 발사할 것을 제안했습니다.

태양이 11년 주기의 활동기에 접어들면서 생생한 오로라와 스티브 및 말뚝 울타리와 같은 빛나는 현상이 점점 더 흔해지고 있으며, 11월은 북위도에서 스티브 관측에 좋은 달이었습니다. 이러한 모든 일시적인 발광 현상은 태양 폭풍과 태양으로부터의 코로나 질량 방출에 의해 촉발되기 때문에 다가오는 태양 극대기는 스티브와 말뚝 울타리와 같은 희귀한 사건을 연구하기에 이상적인 시기입니다.

Gasque는 지난 달 저널에 발표된 논문에서 말뚝 울타리 뒤의 물리학을 설명했습니다. 지구물리학 연구 편지 12월 14일 샌프란시스코에서 열리는 미국지구물리학연맹(American Geophysical Union) 회의 초청 강연에서 결과를 논의할 예정이다.

그녀는 오로라가 형성되는 곳보다 더 남쪽에 있는 상층 대기 지역에서 지구 자기장과 평행한 전기장이 말뚝 울타리의 색상 스펙트럼을 생성할 수 있다고 계산했습니다. 만약 맞다면, 이 특이한 과정은 물리학자들이 태양풍으로부터 지구를 둘러싸고 보호하는 지구 자기권과 우주 가장자리에 있는 전리층 사이의 에너지 흐름을 이해하는 방법에 영향을 미칩니다.

“이것은 어떤 경우에는 오로라에서 빛과 에너지를 생성하는 것에 대한 우리의 모델링을 뒤집을 것입니다”라고 Gasque는 말했습니다.

“클레어의 논문에서 정말 흥미로운 점은 스티브 스펙트럼이 매우 이국적인 물리학이 진행되고 있음을 알려주고 있다는 사실을 몇 년 동안 알고 있다는 것입니다. 우리는 그것이 무엇인지 몰랐습니다.”라고 브라이언 하딩(Brian Harding)은 말했습니다. 논문의 공동 저자이자 SSL 보조 연구 물리학자입니다. “클레어의 논문은 평행 전기장이 이러한 이국적인 스펙트럼을 설명할 수 있음을 보여주었습니다.”

이 논문은 Gasque 박사과정의 사이드 프로젝트였습니다. 지구 표면의 화산과 같은 사건과 우리 머리 위 100km 이상 전리층의 현상 사이의 연관성에 초점을 맞춘 논문입니다.

그러나 2022년 컨퍼런스에서 스티브(이제는 Strong Thermal Emission Velocity Enhancement의 약어가 됨)에 대해 듣고 나서 그녀는 스티브와 말뚝 울타리 뒤에 있는 물리학을 조사하지 않을 수 없었습니다.

“정말 멋지다”고 그녀는 말했다. “이것은 현재 우주 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다.”

스티브의 물리학과 말뚝 울타리

일반적인 오로라는 태양풍이 지구 자기권(종종 표면 위 1,000km 이상의 고도)의 입자에 에너지를 공급할 때 생성됩니다. 이러한 에너지가 공급된 입자는 지구의 자기장 선을 중심으로 극을 향해 나선을 그리며 상층 대기의 산소 및 질소 분자와 충돌하여 여기됩니다. 분자가 이완되면 산소는 특정 주파수의 녹색 및 빨간색 빛을 방출하는 반면, 질소는 약간의 빨간색(주로 파란색) 방출선을 생성합니다.

그 결과 다채롭고 반짝이는 커튼은 북위 또는 남위를 가로질러 수천 킬로미터까지 확장될 수 있습니다.

그러나 Steve는 개별 방출 선이 아니라 보라색이나 연보라를 중심으로 한 넓은 범위의 주파수를 표시합니다. 그리고 오로라와는 달리 스티브나 말뚝 울타리 모두 가장 활동적인 입자가 충돌하여 질소를 이온화할 때 생성되는 청색광을 방출하지 않습니다. 스티브와 말뚝 울타리는 오로라보다 낮은 위도에서도 나타나며 잠재적으로 적도보다 남쪽에 있을 수도 있습니다.

일부 연구자들은 SAID가 어떻게 다채로운 방출을 생성할 수 있는지에 대해 잘 받아들여지는 물리적 설명은 없지만 스티브가 상층 대기의 이온 흐름(SAID라고 함)에 의해 발생한다고 제안했습니다.

Gasque의 관심은 피켓 울타리의 방출이 지구 자기장과 평행한 저고도 전기장에 의해 생성될 수 있다는 제안으로 촉발되었습니다. 자기장과 일치하는 전기장은 빠르게 단락되어 사라져야 하기 때문에 불가능하다고 생각되는 상황입니다.

전리층의 일반적인 물리적 모델을 사용하여 Gasque는 약 110km 높이의 적당한 평행 전기장(미터당 약 100밀리볼트)이 전자를 산소와 질소를 여기시키고 스펙트럼을 생성하는 에너지로 가속할 수 있음을 보여주었습니다. 울타리에서 관찰한 빛의 모습입니다. 더 낮은 밀도의 하전된 플라즈마, 더 많은 중성 산소 및 질소 원자와 같은 해당 영역의 비정상적인 조건은 잠재적으로 전기장이 단락되는 것을 방지하는 절연체 역할을 할 수 있습니다.

“말뚝 울타리의 스펙트럼을 보면 예상했던 것보다 훨씬 더 녹색입니다. 그리고 질소 이온화로 인해 나오는 파란색은 전혀 없습니다”라고 Gasque는 말했습니다. “이것이 우리에게 알려주는 것은 그러한 색상을 생성할 수 있는 특정 에너지 범위의 전자만이 있으며, 해당 입자는 너무 많은 에너지를 갖고 있기 때문에 우주에서 대기권으로 나올 수 없다는 것입니다.”

대신에 그녀는 “말뚝 울타리에서 나오는 빛은 평행 전기장에 의해 우주 공간에서 에너지를 공급받아야 하는 입자에 의해 생성되는데, 이는 우리가 연구했거나 알고 있는 어떤 오로라와도 완전히 다른 메커니즘입니다”라고 말했습니다. 전에.”

그녀와 하딩은 스티브 자신도 관련 프로세스에 의해 생산될 수 있다고 의심합니다. 그들의 계산은 또한 이 과정에서 생성되는 자외선 방출 유형을 예측하며, 이는 피켓 울타리에 대한 새로운 가설을 검증하기 위해 확인할 수 있습니다.

Gasque의 계산은 이 현상을 말뚝 울타리처럼 보이게 만드는 온-오프 글로우를 직접적으로 다루지는 않지만, 이는 전기장의 파동 변화 때문일 가능성이 높다고 그녀는 말했습니다. 그리고 전기장에 의해 가속되는 입자는 아마도 태양에서 나온 것이 아닐 것이지만, 태양 폭풍에 의한 대기의 뒤섞임은 아마도 일반적인 오로라처럼 스티브와 말뚝 울타리를 촉발시킬 것입니다.

향상된 오로라는 말뚝 울타리 같은 빛을 나타냅니다.

다음 단계는 이러한 현상을 통해 알래스카에서 로켓을 발사해 전기장과 자기장의 세기와 방향을 측정하는 것이라고 하딩은 말했다. SSL 과학자들은 바로 이러한 작업을 수행하는 계측기를 설계하고 제작하는 데 특화되어 있습니다. 이러한 장비 중 다수는 현재 지구와 태양 궤도를 도는 우주선에 있습니다.

처음에 목표는 향상된 오로라로 알려진 것으로, 울타리와 같은 방출이 포함된 일반적인 오로라입니다.

“향상된 오로라는 기본적으로 일반 오로라에 포함된 밝은 층입니다. 색상은 파란색이 많지 않고 산소에서 녹색, 질소에서 빨간색이 더 많다는 점에서 울타리와 유사합니다. 가설은 다음과 같습니다. 평행 전기장에 의해서도 생성되지만 말뚝 울타리보다 훨씬 더 일반적입니다.”라고 Gasque는 말했습니다.

그녀는 “이 계획은 처음으로 평행한 전기장을 실제로 측정하기 위해 강화된 층을 통해 로켓을 비행할 뿐만 아니라 조건을 구별하기 위해 더 높은 고도에서 입자를 측정하기 위해 두 번째 로켓을 보내는 것”이라고 말했습니다. 오로라를 일으키는 것들로부터.” 결국 그녀는 스티브와 말뚝 울타리를 직접 뚫고 날아갈 로켓을 희망한다.

Harding, Gasque 및 동료들은 올 가을 NASA에 이러한 로켓 캠페인을 제안했으며 2024년 상반기에 그 선택에 대한 답변을 받을 것으로 기대합니다. Gasque와 Harding은 이 실험이 상층 대기의 화학 및 물리학을 이해하는 중요한 단계라고 생각합니다. , 전리층과 지구 자기권, 그리고 이와 같은 프로젝트를 위해 NASA가 후원하는 LCAS(저비용 우주 접근) 프로그램에 따른 제안입니다.

“미래에 전기장이 어떻게 거기에 도달했는지, 어떤 파동과 연관되어 있는지, 그리고 그것이 지구 대기와 우주 사이의 더 큰 에너지 전달에 대해 무엇을 의미하는지에 대해 많은 연구가 있을 것이라고 말하는 것이 타당합니다. “라고 하딩은 말했다. “우리는 정말로 모릅니다. 클레어의 논문은 그러한 이해의 사슬의 첫 번째 단계입니다.”

Gasque는 중간 전리층(중간층)과 성층권을 연구하는 사람들의 의견에 감사를 표했으며 그들의 아이디어는 해결책을 찾는 데 도움이 되었습니다.

“이번 협력을 통해 우리는 이 분야에서 정말 멋진 진전을 이룰 수 있었습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “솔직히 우리 코를 따라다니면서 신나는 것뿐이었죠.”

Harding 외에도 그녀의 다른 공동 저자로는 University Park에 있는 Pennsylvania State University의 Reza Janalizadeh, 메릴랜드 주 로렐에 있는 Johns Hopkins University의 응용 물리학 연구소의 Justin Yonker 및 Alberta에 있는 University of Calgary의 D. Megan Gillies가 있습니다. 캐나다.

이 작업에 대한 부분적인 지원은 국립과학재단(AGS-2010088), 미국항공우주국(80NSSC21K1386) 및 UC Berkeley의 Robert P. Lin Fellowship에서 제공되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231208185954.htm