Forscher haben ein riesiges X in der Atmosphäre der Erde entdeckt und stehen vor einem Rätsel. Bisher gibt es nur Vermutungen über den Ursprung des Buchstabens am Himmel.

(Titelbild: Beobachtungen der GOLD-Mission der NASA zeigen geladene Teilchen in der Ionosphäre, die am 7. Oktober 2019 eine X-Form bilden. (Die Farben zeigen die Intensität des emittierten ultravioletten Lichts an, wobei Gelb und Weiß die stärkste Emission oder höchste Ionosphärendichte anzeigen.)

Ein NASA-Satellit hat faszinierende und unerwartete Muster in der Ionosphäre der Erde entdeckt. Diese bemerkenswerten Beobachtungen zeigen riesige, X-förmige Plasma-Verdichtungen und kleinere, C-förmige Plasmablasen, die sich über dem Äquator bilden.

Überraschenderweise treten diese Strukturen nicht nur während geomagnetischer Störungen wie Sonnenstürmen auf, sondern auch während ruhiger Phasen. Die Ursache dieser Phänomene bleibt bislang ungelöst.

Bedeutung der Ionosphäre

Die Ionosphäre, die in einer Höhe von etwa 80 Kilometern beginnt, spielt eine entscheidende Rolle als Schutzschild gegen kosmische Strahlung und unterstützt die globale Telekommunikation.

Dank der geladenen Teilchen und des Plasmas in dieser Atmosphärenschicht werden Funkwellen reflektiert, was die Langstreckenkommunikation ermöglicht. Diese Schicht ist jedoch nicht homogen; das Erdmagnetfeld und der Sonnenwind verursachen dichtere Zonen, die als Equatorial Ionization Anomaly (EIA) bekannt sind.

Gigantisches „X-Chromosom“ im All

Fazlul Laskar und sein Team von der University of Colorado entdeckten eine ungewöhnliche Verformung dieser EIA-Bänder während der Analyse von Daten des GOLD-Satelliten (Global-scale Observations of the Limb and Disk) der NASA.

Dieser geostationäre Satellit überwacht die Ionosphäre mit UV-Spektrografen, um die Auswirkungen von Sonnenstürmen zu untersuchen. „Das ist eine für geomagnetisch ruhige Bedingungen unerwartete Struktur“, erklärt Laskar. Das Team entdeckte ein riesiges X-Muster, das die beiden parallelen Bänder der EIA zu einem X-Chromosom verschmelzen ließ und sich über die halbe Erde erstreckte.

Stabilität der Struktur

Nähere Untersuchungen ergaben, dass diese Verformungen nicht nur bei geomagnetischen Störungen, sondern auch in ruhigen Phasen auftreten. Typischerweise erscheinen diese X-Muster kurz nach Sonnenuntergang und bleiben für etwa zwei Stunden stationär, ohne sich merklich zu bewegen. „Das EIA-X scheint lange stabil zu bleiben“, berichten die Forschenden.

Ursachenforschung

Die Entstehung dieser X-Struktur ist noch rätselhaft. Vorherige Verformungen der EIA-Bänder wurden meist durch extreme geomagnetische Ereignisse wie Sonnenstürme oder die Druckwellen des Tonga-Ausbruchs im Januar 2022 verursacht. Laskar und sein Team vermuten jedoch weitere Einflüsse: „Unsere Untersuchungen zeigen, dass dies nicht die einzigen Prozesse sind, die die EIA-Bänder verformen können.“

Simulationen mit dem Atmosphären-Klimamodell WACCM-X weisen auf Störungen des elektrischen Felds der Ionosphäre als mögliche Ursache hin. Ein wesentlicher Faktor scheint dabei ein deutlicher Abwärtsstrom von geladenen Teilchen zwischen zwei positiv geladenen Zonen zu sein. „Wir vermuten, dass großräumige Wellen in der unteren Atmosphäre wie Gezeitenwellen und planetare Wellen eine führende Rolle spielen“, so Laskar und Kollegen.

Unerklärte C-förmige Blasen

Neben dem X-Muster fanden die Forscher ein weiteres ungewöhnliches Plasmamuster: paarweise auftretende, C-förmige Plasmablasen. Diese spiegelbildlichen Strukturen sind nur etwa 640 Kilometer voneinander entfernt.

„Dass zwei gegensätzlich geformte Ionosphärenblasen so nahe beieinander liegen, wurde nie zuvor beobachtet“, sagt Deepak Karan von der University of Colorado. Wie diese Blasen entstehen, bleibt ebenfalls ein Rätsel.

Bilder der GOLD-Mission der NASA zeigen C-förmige und umgekehrt C-förmige Plasmablasen, die am 12. Oktober 2020 und 26. Dezember 2021 nahe beieinander in der Ionosphäre erschienen.

Komplexität der Erdatmosphäre

„Die Tatsache, dass wir verschieden geformte Blasen nah beieinander finden, verrät uns, dass die Dynamik der Erdatmosphäre offensichtlich noch komplexer ist als wir erwartet haben“, kommentiert Jeffrey Klenzing vom Goddard Space Flight Center der NASA. Diese Entdeckungen unterstreichen die Notwendigkeit weiterer Forschungen, um die komplexen Prozesse in der Ionosphäre besser zu verstehen.

Mit den neuen Erkenntnissen des GOLD-Satelliten setzen die Wissenschaftler ihre Bemühungen fort, die Geheimnisse unserer Atmosphäre zu entschlüsseln. Diese Forschungen könnten nicht nur unser Verständnis der Ionosphäre verbessern, sondern auch praktische Anwendungen für die Telekommunikation und Satellitentechnologie haben.