Tihe kiht molekule ja elektrilaenguga osakesi, mida nimetatakse ionosfääriks, ripub Maa ülemises atmosfääris algusega umbes 35 miili (60 kilomeetrit) planeedi pinnast ja ulatub kaugemale kui 620 miili (1000 km). Ülaltpoolt tulev päikesekiirgus puhverdab atmosfääri kihis suspendeeritud osakesi. Altpoolt olevad raadiosignaalid põrkavad ionosfääri tagasi maapealsete instrumentide juurde. Kui ionosfäär kattub magnetväljadega, purskab taevas säravaid valgusekraane, mida on uskumatu näha.
Kus on ionosfäär?
Maa atmosfääri moodustavad mitmed erinevad kihid, sealhulgas mesosfäär, mis algab 31 miili (50 km) ülespoole, ja termosfäär, mis algab 53 miili (85 km) üles. UCARi teadushariduse keskuse andmetel koosneb ionosfäär kolmest osast mesosfääri ja termosfääri piires, tähistatud D-, E- ja F-kihiga.
Äärmine ultraviolettkiirgus ja päikesekiirguse röntgenikiirgus pommitavad atmosfääri neid ülemisi piirkondi, lüües aatomitesse ja molekulidesse neis kihtides. Võimas kiirgus eemaldab negatiivselt laetud elektronid osakestest, muutes nende osakeste elektrilaengut. Saadud vabade elektronide ja laetud osakeste pilv, mida nimetatakse ioonideks, viis nime "ionosfäär". Ioniseeritud gaas ehk plasma seguneb tihedama, neutraalse atmosfääriga.
Ioonide kontsentratsioon ionosfääris varieerub sõltuvalt sellest, kui palju päikesekiirgust Maa peal on. Ionosfäär kasvab päeva jooksul laetud osakestega tihedalt, kuid see tihedus väheneb öösel, kuna laetud osakesed rekombineeruvad nihutatud elektronidega. NASA andmetel ilmuvad ja kaovad selle igapäevase tsükli jooksul kogu ionosfääri kiht. Päikesekiirgus kõigub ka 11-aastase perioodi vältel, see tähendab, et päike võib sõltuvalt aastast väljastada enam-vähem kiirgust.
Plahvatusohtlikud päikesekiirgused ja päikesetuule tuuleiilid õhutavad äkilisi muutusi ionosfääris, tuues kaasa kõrgmäestiku tuuled ja ränga ilmastiku süsteemid, mis õõnestavad allpool olevat maad.
Süüta taevas
Päikese kõrvetav kuum pind väljub kõrgelt laetud osakeste voogudest ja neid ojasid nimetatakse päikesetuuleks. NASA Marshalli kosmoselennukeskuse andmetel lendab päikesetuul kosmosest kiirusega umbes 25 miili (40 km) sekundis. Maa magnetvälja ja allpool asuva ionosfääri jõudmiseni panid päikesetuuled öises taevas esile värvilise keemilise reaktsiooni, mida nimetatakse auroraks.
Kui päikesetuuled piitsutavad üle Maa, jääb planeet varjatud oma magnetvälja taha, mida nimetatakse ka magnetosfääriks. Loodud sulatades rauda Maa tuumas, saadab magnetosfäär päikesekiirguse, liikudes kummagi pooluse poole. Seal põrkuvad laetud osakesed ionosfääris tiirlevate kemikaalidega, tekitades spekuleerivad aurorad.
Teadlased leidsid, et Päikese enda magnetväli purustab Maa nõrgema, nihutades aurorad planeedi öökülje poole, teatas ajakiri Popular Mechanics.
Arktika ja Antarktika ringide lähedal voolab National Geographicu andmetel igal õhtul taevalaotuses aurorasid. Värvilised valgusekardinad, mida tuntakse vastavalt kui aurora borealis ja aurora australis, ripuvad Maa pinnast umbes 620 miili (1000 km) kõrgusel. Aurud helendavad rohekaskollaseks, kui ioonid löövad alumises ionosfääris hapniku osakesi. Punakas valgus õitseb sageli piki aurorase servi ning öösel taevasse ilmuvad ka purpursed ja sinikad, kuigi seda juhtub harva.
"Aurora põhjus on mõnevõrra teada, kuid see pole täielikult lahendatud," ütles Bostoni ülikooli geofüüsik Toshi Nishimura. "Näiteks see, mis põhjustab teatud tüüpi aurora värvi, näiteks lilla, on endiselt mõistatus."
Kes on Steve?
Lisaks auroratele mängib ionosfäär ka muid muljetavaldavaid valgusetendusi.
Kodanikeadlased märkasid 2016. aastal eriti pilkupüüdvat nähtust, mille lahendamiseks teadlased vaeva nägid, vahendas Live Science'i sõsarsait Space.com varem. Kanada kohal voolasid eredad valge ja roosakas valgusega jõed, mis asuvad lõuna pool kaugemal, kui enamus aurorasid paistab. Mõnikord liitusid seguga rohelised kriipsud. Salapäraseid tulesid nimetati Steve'iks animafilmi "Üle heki" austamiseks ja hiljem nimetati neid ümber kui "Tugev termilise emissiooni kiiruse suurendamine" - ikka veel lühikeseks ajaks STEVE.
"Oleme uurinud aurorat sadu aastaid ning me ei suutnud ega suuda siiani selgitada, mis Steve on," ütles New Jersey tehnoloogiainstituudi kosmoseteadlane Gareth Perry. "See on huvitav, kuna selle emissioon ja omadused erinevad erinevalt muust, mida me vähemalt optikaga ionosfääris täheldame."
Ajakirja Geophysical Research Letters 2019. aasta uuringu kohaselt võivad STEVE-s olevad rohelised triibud kujuneda sarnaselt traditsiooniliste aurude moodustumisega, kuna laetud osakesed sadenevad atmosfääri. STEVE-s näib aga valguse jõgi hõõguvat, kui ionosfääri osakesed põrkuvad ja tekitavad omavahel soojust.
Side ja navigeerimine
Ehkki ionosfääris toimuvad reaktsioonid värvivad taevast säravate toonidega, võivad need häirida ka raadiosignaale, segada navigatsioonisüsteeme ja põhjustada mõnikord laialdast elektrikatkestust.
Ionosfäär peegeldab raadiosaateid alla 10 megahertsi, võimaldades sõjaväel, lennufirmadel ja teadlastel ühendada radari- ja sidesüsteeme pikkade vahemaade taha. Need süsteemid töötavad kõige paremini siis, kui ionosfäär on sile, nagu peegel, kuid plasma häireid võivad need häirida. GPS-edastused läbivad ionosfääri ja kannavad seetõttu samu haavatavusi.
"Suurte geomagnetiliste tormide või kosmoses ilmastikuolude ajal võivad voolud kutsuda esile teisi maapinnas, elektrivõrkudes, torujuhtmetes jne tekitavaid voolusid ja tekitada laastavat mõju," ütles Perry. Üks selline päikesetorm põhjustas kuulsa Quebeci elektrikatkestuse 1989. aastal. "Kolmkümmend aastat hiljem on meie elektrisüsteemid selliste sündmuste suhtes endiselt haavatavad."
Teadlased uurivad ionosfääri radarite, kaamerate, satelliidiga seotud instrumentide ja arvutimudelite abil, et paremini mõista piirkonna füüsikalist ja keemilist dünaamikat. Selle teadmisega relvastavad nad loodavad paremini ennustada häireid ionosfääris ja ennetada probleeme, mis võivad põhjustada allpool asuvat maapinda.
