Nad Ziemią wiszą metalowe chmury. Wreszcie udało się zajrzeć do środka

Około 100 km nad naszymi głowami nie ma już zwykłych chmur, ale czasami pojawia się coś znacznie dziwniejszego. Cienkie warstwy jonów żelaza, magnezu i innych metali tworzą tam niewidzialne skupiska zdolne odbijać fale radiowe jak gigantyczne lustra. NASA właśnie pokazała wyniki pierwszego eksperymentu, w którym rakieta zbadała taką metalową chmurę jednocześnie w kilku miejscach. Okazało się, że w środku jest znacznie bardziej chaotycznie, niż sugerowały wcześniejsze pomiary.

Warstwy te noszą nazwę sporadic E, czyli sporadycznej warstwy E. Powstają w dolnej części jonosfery, mniej więcej 90-120 km nad powierzchnią Ziemi. Nie zobaczymy ich przez okno samolotu i nie mają wiele wspólnego z chmurami zbudowanymi z kropelek wody.

Materiał do ich powstania rzeczywiście pochodzi jednak z góry. Każdego dnia w ziemską atmosferę wpada ogromna liczba drobin materii międzyplanetarnej. Większe widzimy jako meteory, ale większość jest bardzo mała. Podczas hamowania w atmosferze nagrzewają się, parują i pozostawiają po sobie m.in. żelazo, magnez, sód, wapń i potas.

Na wysokości jonosfery część tych atomów zostaje zjonizowana, czyli traci elektrony i staje się elektrycznie naładowanymi jonami. W normalnych warunkach są rozsiane na dużym obszarze, lecz odpowiedni układ wiatrów oraz ziemskiego pola magnetycznego potrafi zgromadzić je w niezwykle cienkich i gęstych warstwach. Zamiast równomiernej mgły powstaje coś przypominającego korek drogowy z naładowanych cząstek.

Sporadic E znamy od dziesięcioleci, ale bezpośrednie badanie tych warstw jest zaskakująco trudne. Znajdują się w jednym z najbardziej niedostępnych fragmentów ziemskiej atmosfery. Dla balonu jest tam zdecydowanie za wysoko. Atmosfera jest już tak rzadka, że nie ma on czego wykorzystać do unoszenia się. Dla normalnego satelity jest natomiast za nisko. Opór resztek atmosfery na wysokości około 100 km bardzo szybko ściągnąłby go z orbity.

Pozostają rakiety suborbitalne. Wylatują ponad atmosferę, ale nie osiągają prędkości potrzebnej do wejścia na orbitę. Po kilku lub kilkunastu minutach spadają z powrotem na Ziemię. W nocy z 23 na 24 sierpnia 2022 r. właśnie taką rakietę wystrzelono z Wallops Flight Facility w Wirginii. Misja otrzymała wyjątkowo trafną nazwę SpEED Demon, będącą skrótem od Sporadic E Electrodynamics Demonstration. Rakieta osiągnęła około 160 km wysokości, a po drodze przecięła interesującą badaczy warstwę sporadic E.

Wcześniejsze loty miały podstawowe ograniczenie. Rakieta przechodziła przez warstwę po jednej trajektorii, więc jej instrumenty dostawały dane wyłącznie z wąskiego przekroju. Można wyobrazić sobie próbę zbadania burzowej chmury przez przeciągnięcie przez nią jednego termometru. Dowiemy się, co wydarzyło się wzdłuż jego drogi, ale niewiele o tym, jak warunki wyglądały kilkaset metrów obok.

SpEED Demon miał to zmienić. Gdy znalazł się w odpowiednim miejscu, wyrzucił cztery małe sondy wyposażone w instrumenty mierzące m.in. względną gęstość jonów. Każda odleciała w innym kierunku i przesyłała dane na Ziemię. Razem z aparaturą znajdującą się na głównym członie rakiety powstało 5 niezależnych punktów pomiarowych działających w tym samym czasie. To właśnie pierwszy taki wielopunktowy pomiar sporadycznej warstwy E na średnich szerokościach geograficznych.

Najprostszy obraz sporadic E przypomina cienki, stosunkowo równy arkusz zwiększonej koncentracji jonów. Dane z rakiety pokazały jednak znacznie bogatszą strukturę. Warstwa była poszarpana, nierówna i pełna niewielkich zmian gęstości. Badacze wykryli struktury o charakterystycznych rozmiarach zaledwie 20-40 m. Wszystkie cztery wyrzucone sondy zobaczyły podobne drobnoskalowe zaburzenia.

Jeszcze ciekawiej zrobiło się podczas opadania rakiety. Zamiast jednego wyraźnego maksimum koncentracji jonów aparatura zarejestrowała dwa oddzielne szczyty. Naukowcy podejrzewają, że odpowiadają za to niestabilności Kelvina-Helmholtza. To zjawisko występujące wtedy, gdy dwie warstwy płynu lub gazu przesuwają się względem siebie z różnymi prędkościami. Na zdjęciach zwykłych chmur czasami tworzy charakterystyczne zawijające się fale przypominające grzbiety morskich fal.

Podobny mechanizm może działać na wysokości około 100 km. Różnice prędkości neutralnego powietrza deformują skupioną warstwę jonów, zwijając i rozciągając ją zamiast pozostawiać jako równą płachtę. Badacze porównują więc obserwowaną strukturę bardziej do przekrojonej rolki cynamonowej niż płaskiego naleśnika.

SpEED Demon mierzył rozmieszczenie plazmy, ale podczas tego konkretnego lotu nie miał kompletu bezpośrednich pomiarów lokalnego wiatru neutralnego oraz pola elektrycznego potrzebnych do jednoznacznego odtworzenia mechanizmu. Naukowcy zestawili więc dane z rakiety z pomiarami naziemnymi, znanymi warunkami atmosferycznymi i symulacjami. Układ bardzo dobrze pasuje do deformacji wywołanych przez niestabilności Kelvina-Helmholtza.

Nie mogą jednak napisać, że właśnie zobaczyli taki wir bez żadnych wątpliwości. W recenzowanej pracy określają ten mechanizm jako wiarygodne wyjaśnienie obserwowanej struktury. Najbardziej interesującym rezultatem nie jest samo wykrycie metalowych jonów. O ich obecności wiemy od dawna. Nowością jest możliwość zobaczenia, jak bardzo warstwa zmienia się przestrzennie w jednej chwili.

Sporadic E interesuje naukowców nie tylko dlatego, że jest ciekawym zjawiskiem atmosferycznym. Taka warstwa potrafi bardzo konkretnie namieszać w radiokomunikacji. Gęsta plazma może odbijać fale radiowe, które normalnie miały polecieć znacznie dalej albo wydostać się w przestrzeń. Sygnał wraca wtedy na powierzchnię Ziemi w miejscu, w którym odbiorca wcale się go nie spodziewał.

Operator radiowy może nagle usłyszeć nadajnik oddalony o setki lub nawet tysiące kilometrów. To zjawisko dobrze znają krótkofalowcy, dla których sporadic E potrafi być wręcz prezentem, umożliwiając niezwykle dalekie połączenia. W systemach, w których niezawodność jest ważniejsza od zabawy z zasięgiem, taka niespodzianka nie jest już jednak zaletą.

Kontrolerzy ruchu lotniczego albo użytkownicy radiostacji morskich mogą odbierać odległe transmisje tak, jakby pochodziły z bliska. Radary dalekiego zasięgu mogą z kolei zarejestrować odbicie w miejscu, w którym nie ma rzeczywistego celu. NASA nazywa takie fałszywe wskazania duchami.

Problem nie kończy się jednak tylko na klasycznym radiu. Sygnały systemów nawigacji satelitarnej muszą w drodze na Ziemię przejść przez jonosferę, a jej stan wpływa na czas ich propagacji.

Odbiornik GPS ustala pozycję przede wszystkim na podstawie ekstremalnie precyzyjnego pomiaru czasu. Jeżeli sygnał zostanie po drodze nieco opóźniony przez plazmę, w obliczonej pozycji pojawia się błąd.

Przeczytaj także:

Na Spider’s Web opisywaliśmy już wykorzystanie milionów smartfonów do mapowania jonosfery i poprawiania dokładności GPS. Te same fizyczne procesy są powodem, dla którego odbiornik musi uwzględniać warunki wysoko nad naszą głową, mimo że użytkownik widzi jedynie kropkę przesuwającą się po mapie.

Sama sporadic E nie jest największym ani jedynym źródłem błędów GPS. Może jednak dokładać kolejną nieregularność do środowiska, przez które przechodzą sygnały satelitarne. Dlatego dokładniejsze przewidywanie takich warstw ma znaczenie nie tylko dla fizyków atmosfery, ale też dla telekomunikacji, nawigacji i systemów radarowych.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI