Een dichte laag moleculen en elektrisch geladen deeltjes, de ionosfeer genaamd, hangt in de bovenste atmosfeer van de aarde, beginnend op ongeveer 35 mijl (60 kilometer) boven het oppervlak van de planeet en strekt zich uit over een afstand van 620 mijl (1.000 km). Zonnestraling die van boven komt, buffert deeltjes die in de atmosferische laag zweven. Radiosignalen van onderaf stuiteren van de ionosfeer terug naar instrumenten op de grond. Waar de ionosfeer overlapt met magnetische velden, barst de lucht uit in schitterende lichtschermen die ongelooflijk zijn om te zien.
Waar is de ionosfeer?
Verschillende afzonderlijke lagen vormen de atmosfeer van de aarde, waaronder de mesosfeer, die 50 kilometer omhoog begint, en de thermosfeer, die 85 kilometer omhoog begint. De ionosfeer bestaat uit drie secties binnen de mesosfeer en thermosfeer, gelabeld de D-, E- en F-lagen, volgens het UCAR Centre for Science Education.
Extreme ultraviolette straling en röntgenstralen van de zon bombarderen deze bovenste delen van de atmosfeer en vallen de atomen en moleculen aan die in die lagen worden vastgehouden. De krachtige straling verdrijft negatief geladen elektronen uit 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 op de aarde. De ionosfeer groeit overdag dicht met geladen deeltjes, maar die dichtheid neemt 's nachts af naarmate geladen deeltjes zich opnieuw combineren met verplaatste elektronen. Hele lagen van de ionosfeer verschijnen en verdwijnen tijdens deze dagelijkse cyclus, volgens NASA. Zonnestraling fluctueert ook over een periode van 11 jaar, wat betekent dat de zon afhankelijk van het jaar meer of minder straling kan afgeven.
Explosieve zonnevlammen en windvlagen van zonnewind wekken plotselinge veranderingen in de ionosfeer op, samen met winden op grote hoogte en zware weersystemen op de aarde beneden.
Verlicht de lucht
Het gloeiend 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 met een snelheid van ongeveer 40 kilometer per seconde door de ruimte. Bij het bereiken van het magnetische veld van de aarde en de ionosfeer eronder veroorzaakten zonnewinden een kleurrijke chemische reactie in de nachtelijke hemel, een aurora genaamd.
Wanneer zonnewinden over de aarde suizen, blijft de planeet afgeschermd achter zijn magnetische veld, ook wel bekend als de magnetosfeer. De magnetosfeer wordt opgewekt door gesmolten ijzer in de aardkern te roeren 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 de aurora naar de nachtzijde van de planeet verschuift, zoals gerapporteerd door Popular Mechanics.
In de buurt van de arctische en antarctische cirkels, schieten aurora's elke nacht langs de hemel, volgens National Geographic. De kleurrijke lichtgordijnen, respectievelijk bekend als de aurora borealis en de aurora australis, hangen ongeveer 1.000 kilometer boven het aardoppervlak. De aurora's lichten groen-geel op wanneer ionen zuurstofdeeltjes in de lagere ionosfeer raken. Roodachtig licht bloeit vaak langs de randen van de aurora en paars en blauw verschijnen ook aan de nachtelijke hemel, hoewel dit zelden gebeurt.
'De oorzaak van het noorderlicht is enigszins bekend, maar deze is niet helemaal opgelost', zegt Toshi Nishimura, een geofysicus aan de universiteit van Boston. 'Wat bijvoorbeeld een bepaald type aurora veroorzaakt, zoals paars, is nog steeds een mysterie.'
Wie is Steve?
Naast aurora's, is de ionosfeer ook gastheer voor andere indrukwekkende lichtshows.
In 2016 zagen burgerwetenschappers een bijzonder opvallend fenomeen, dat wetenschappers moeilijk uit te leggen hadden, meldde WordsSideKick.com-zustersite Space.com eerder. Heldere rivieren met wit en roze licht stroomden over Canada, dat verder naar het zuiden ligt dan de meeste aurora's. Af en toe kwamen er streepjes groen bij de mix. 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 STEVE.
'We hebben het noorderlicht al honderden jaren bestudeerd en we konden 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 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 hoe traditionele aurora's zich vormen, terwijl geladen deeltjes op de atmosfeer regenen. In STEVE lijkt de rivier van licht echter te gloeien wanneer deeltjes in de ionosfeer botsen 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 radio-uitzendingen onder 10 megahertz, waardoor het leger, luchtvaartmaatschappijen en wetenschappers radar- en communicatiesystemen over lange afstanden kunnen koppelen. 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 hebben daarom dezelfde kwetsbaarheden.
"Tijdens grote geomagnetische stormen of gebeurtenissen in het ruimteweer kunnen stromen andere stromen in de grond, elektrische roosters, pijpleidingen enz. Veroorzaken en grote schade aanrichten", zei Perry. Een dergelijke zonnestorm veroorzaakte de beroemde black-out van 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 die op de grond beneden kunnen ontstaan te voorkomen.
