Es ist seit langem vorhergesagt worden, dass eine Sonnenfinsternis eine Bugwelle in der Ionosphäre der Erde verursachen würde. Die Sonnenfinsternis im August 2017 - die „Great American Eclipse“ genannt, weil sie die kontinentalen USA durchquerte - gab Wissenschaftlern die Möglichkeit, diese Vorhersage zu testen. Wissenschaftler des Haystack Observatory des MIT verwendeten zum ersten Mal mehr als 2.000 GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) in den kontinentalen USA, um diese Art von Bugwelle zu beobachten.
Die Great American Eclipse brauchte 90 Minuten, um die USA zu durchqueren, wobei die Gesamtheit an jedem Ort nur wenige Minuten dauerte. Als sich der Mondschatten mit Überschallgeschwindigkeit über die USA bewegte, verursachte er einen schnellen Temperaturabfall. Nach dem Weitergehen stieg die Temperatur wieder an. Dieses schnelle Erhitzen und Abkühlen verursachte die ionosphärische Bugwelle.
Die Bogenwelle selbst besteht aus Schwankungen des Elektronengehalts der Ionosphäre. Die GNSS-Empfänger erfassen sehr genaue Daten zum TEC (Total Electron Content) der Ionosphäre. Diese Animation zeigt die Bogenwelle des Elektroneninhalts, die sich in den USA bewegt.
Die Details dieser Bugwelle wurden in einem Artikel von Shun-Rong Zhang und Kollegen vom Haystack Observatory des MIT sowie von Kollegen der Universität von Tromsø in Norwegen veröffentlicht. In ihrer Arbeit erklären sie es folgendermaßen: „Der Sonnenfinsternisschatten hat eine Überschallbewegung, die atmosphärische Bugwellen erzeugt, ähnlich einem sich schnell bewegenden Flussboot, wobei Wellen in der unteren Atmosphäre beginnen und sich in die Ionosphäre ausbreiten. Die Eclipse-Passage erzeugte klare ionosphärische Bogenwellen bei Elektronengehaltsstörungen, die von der Gesamtheit hauptsächlich über den zentralen / östlichen Vereinigten Staaten ausgehen. Die Untersuchung der Welleneigenschaften zeigt komplexe Zusammenhänge zwischen Sonne, Mond und der neutralen Atmosphäre und Ionosphäre der Erde. “
Die Ionosphäre erstreckt sich tagsüber von etwa 50 km bis 1000 km Höhe. Es schwillt an, wenn die Sonnenstrahlung die Erde erreicht und nachts nachlässt. Seine Größe schwankt tagsüber immer. Es wird Ionosphäre genannt, weil es die Region ist, in der sich geladene Teilchen befinden, die durch Sonnenstrahlung erzeugt werden. In der Ionosphäre treten auch Auroren auf. Noch wichtiger ist jedoch, dass sich dort Funkwellen ausbreiten.
Die Ionosphäre spielt in der modernen Welt eine wichtige Rolle. Es ermöglicht Funkwellen, sich über den Horizont zu bewegen, und beeinflusst auch die Satellitenkommunikation. Dieses Bild zeigt einige der komplexen Wechselwirkungen unserer Kommunikationssysteme mit der Ionosphäre.
In der Ionosphäre ist viel los. Neben der Bugwelle gibt es verschiedene Arten von Wellen und Störungen. Ein besseres Verständnis der Ionosphäre ist in unserer modernen Welt wichtig, und die Sonnenfinsternis im August gab Wissenschaftlern die Möglichkeit, nicht nur die Bugwelle zu beobachten, sondern auch die Ionosphäre genauer zu untersuchen.
Die zur Beobachtung der Bugwelle verwendeten GNSS-Daten waren auch in einer anderen Studie von entscheidender Bedeutung. Dieser wurde auch in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht und von Anthea Coster vom Haystack Observatory geleitet. Die Daten aus dem Netzwerk von GNSS wurden verwendet, um den Gesamtelektronengehalt (TEC) und den Differential-TEC zu erfassen. Anschließend analysierten sie diese Daten für einige Dinge während des Durchgangs der Sonnenfinsternis: die Breiten- und Längsreaktion des TEC und das Vorhandensein von IONosphärischen Störungen (TID) für den TEC.
Vorhersagen zeigten eine Reduzierung der TEC um 35%, aber das Team war überrascht, eine Reduzierung von bis zu 60% zu finden. Sie waren auch überrascht, Strukturen mit erhöhtem TEC über den Rocky Mountains zu finden, obwohl dies nie vorhergesagt wurde. Diese Strukturen sind wahrscheinlich mit atmosphärischen Wellen verbunden, die von den Rocky Mountains während der Sonnenfinsternis in der unteren Atmosphäre erzeugt wurden, aber ihre genaue Natur muss untersucht werden.
"... ein riesiges aktives Himmelsexperiment von Sonne und Mond." - Phil Erickson, stellvertretender Direktor am Haystack Observatory.
„Seit den ersten Tagen der Funkkommunikation vor mehr als 100 Jahren ist bekannt, dass Finsternisse große und manchmal unerwartete Auswirkungen auf den ionisierten Teil der Erdatmosphäre und die durch sie hindurchtretenden Signale haben“, sagt Phil Erickson, stellvertretender Direktor bei Haystack and Leitung für die Gruppe Atmosphären- und Geowissenschaften. „Diese neuen Ergebnisse aus von Haystack durchgeführten Studien sind ein hervorragendes Beispiel dafür, wie viel noch über unsere Atmosphäre und ihre komplexen Wechselwirkungen zu lernen ist, wenn man eine der spektakulärsten Sehenswürdigkeiten der Natur beobachtet - ein riesiges aktives Himmelsexperiment von Sonne und Mond. Die Leistungsfähigkeit moderner Beobachtungsmethoden, einschließlich Funkfernsensoren, die in den USA weit verbreitet sind, war der Schlüssel zur Enthüllung dieser neuen und faszinierenden Merkmale. “
Die große amerikanische Sonnenfinsternis ist gekommen und gegangen, aber die detaillierten Daten, die während dieses 90-minütigen „Himmelsexperiments“ gesammelt wurden, werden von Wissenschaftlern für einige Zeit untersucht.
