Wat is de ionosfeer?

Poolicht gefotografeerd vanuit het International Space Station
Deze opname is gemaakt vanuit het International Space Station en toont de mooie, gloeiende aurora’s naast de gloed van licht van steden aan het oppervlak van onze planeet. Als elektrisch geladen deeltjes van de Zon reageren met gassen in de ionosfeer van de Aarde dan leidt dit tot een gloed die we poollicht noemen. Credit: International Space Station.

De ionosfeer is een dichte laag van moleculen en elektrisch geladen deeltjes die op ongeveer 60 kilometer hoogte begint en doorloopt tot ongeveer 1000 kilometer boven het aardoppervlak. Van bovenaf komende straling van de Zon buffert deeltjes die in de atmosferische laag zweven. Radiosignalen van onderaf kaatsen via de ionosfeer terug naar instrumenten op de grond. Waar de ionosfeer overlapt met magnetische velden barst de lucht uit in schitterende lichtshows die ongelooflijk mooi zijn om te zien.

Waar bevindt de ionosfeer zich?

De atmosfeer van de Aarde bestaat uit verschillende lagen waaronder de mesosfeer die op een hoogte van 50 kilometer begint en de thermosfeer die op 85 kilometer hoogte begint. De ionosfeer bestaat uit drie lagen binnen de mesosfeer en de thermosfeer die D,E en F worden genoemd.

De bovenste lagen van de atmosfeer worden door ultraviolette straling en röntgenstraling van de Zon gebombardeerd waarbij de atomen en moleculen in deze lagen worden aangevallen. De sterke straling maakte negatief geladen elektronen los van de deeltjes waardoor die een elektrische lading krijgen. De resulterende wolk van vrije elektronen en geladen deeltjes (ionen) hebben geleid tot de naam “ionosfeer”. Het geïoniseerde gas, oftewel plasma, mengt met de dichtere neutrale atmosfeer.

De concentratie van ionen in de ionosfeer varieert met de hoeveelheid straling van de Zon die op Aarde valt. De ionosfeer groeit overdag dicht met geladen deeltjes maar die dichtheid neemt ’s nachts ad als de geladen deeltjes weer reageren met vrije elektronen. Volgens de NASA verschijnen en verdwijnen tijdens deze dagelijkse cyclus hele lagen van de ionosfeer. De straling van de Zon fluctueert ook over een periode van 11 jaar en dat betekent dat de Zon afhankelijk van het jaar meer of minder straling uitzendt.

Explosieve zonnevlammen en vlagen van de zonnewind veroorzaken plotselinge veranderingen in de ionosfeer. Ze werken samen met winden op grote hoogte en zware weersystemen op Aarde.

Schema van de atmosfeer met de ionosfeer
De ionosfeer, een zone van geladen deeltjes, bevindt zich op de grens van de Aarde en de ruimte. Credit: wikipedia

De atmosfeer licht op

Het verzengend hete oppervlak van de Zon verdrijft stromen van sterk geladen deeltjes. Deze stromen staan bekend als zonnewind. Volgens NASA reist de zonenwind met een snelheid van ongeveer 40 kilometer per seconde door het zonnestelsel. Bij het bereiken van het magneetveld van de Aarde en de ionosfeer daar beneden veroorzaakt de zonnewind een kleurrijke chemische reactie in de nachtelijke hemel: poollicht of aurora’s.

De Aarde wordt door zijn magneetveld, de magnetosfeer, beschermt tegen de schadelijke invloeden van de zonnewind. Deze magnetosfeer wordt opgewekt door de draaiende gesmolten ijzeren kern van de Aarde en zorgt er voor dat de zonnewind wordt afgebogen naar de polen. Aan de polen botsen de geladen deeltjes met moleculen in de ionosfeer waarbij er schitterende aurora’s ontstaan.

Wetenschappers hebben ontdekt dat het magneetveld van de Zon het aardse magneetveld platdrukt waardoor aurora’s naar de nachtzijde van de planeet worden geduwd.

In de buurt van de poolcirkels schieten ’s nachts kleurrijke autora’s door de lucht. Deze kleurrijke lichtgordijnen, bekend als aurora borealis en aurora australis, hangen ongeveer 1000 kilometer boven het aardoppervlak. De aurora’s krijgen een groengele kleur als zuurstofionen in de lagere delen van de ionosfeer komen. Langs de landen van aurora’s zijn vaak rode kleuren zichtbaar. Ook paarse en blauwe kleuren zijn soms zichtbaar.

De oorzaak van poollicht is bekend maar volgens wetenschappers nog niet helemaal opgelost. Zo weet men bijvoorbeeld nog niet precies wat de verschillende kleuren van het poollicht kan veroorzaken.

Wie is STEVE?

Naast poollicht spelen er zich nog andere lichtverschijnselen in de ionosfeer af.

In 2016 werd door burgerwetenschappers een bijzonder in het oog springend fenomeen waargenomen dat wetenschappers moeilijk konden verklaren. Waarnemers zagen heldere rivieren van wit en roze licht dat uitstroomde boven Canada in een regio die verder zuidwaarts ligt dan waar normaliter aurora’s zichtbaar zijn. Het vreemde licht werd “Steve genoemd als eerbetoon aan de animatiefilm “Over the Hedge” en werd later omgedoopt tot “Strong Thermal Emission Velocity Enhancement”. Nog steeds STEVE dus.

Aurora’s worden al honderden jaren door wetenschappers bestudeerd maar men kan niet verklaren wat STEVE precies is. Het is een interessant verschijnsel omdat emissies en eigenschappen anders zijn dan al het andere dat op optisch gebeid in de atmosfeer wordt waargenomen.

Volgens een onderzoek uit 2019 dat in de Geophysical Research Letters verscheen, ontwikkelen de groene strepen binnen STEVE zich op dezelfde manier als traditionele aurora’s als geladen deeltjes op de atmosfeer regenen. In STECE lijkt de rivier van licht echter te gloeien als deeltjes in de ionosfeer met elkaar in botsing komen en onderling warmte genereren.

Communicatie en navigatie

Hoewel reacties in de ionosfeer voor schitterende kleuren en patronen in de lucht kunnen zorgen kunnen ze ook radiosignalen verstoren en soms een wijdverbreide stroomstoring veroorzaken.

De ionosfeer reflecteert radiosignalen onder de 10 Megahertz waardoor leger, luchtvaartmaatschappijen en wetenschappers radar- en communicatiesystemen over lange afstanden met elkaar kunnen verbinden. Deze systemen werken het beste als de ionosfeer glad is, zoals een spiegel. Maar ze kunnen worden verstoord door onregelmatigheden in het plasma. Ook GPS-signalen gaan door de ionosfeer en zijn dus om dezelfde redenen kwetsbaar.

Tijdens grote geomagnetische stormen kunnen stromingen in de ionosfeer stromen in elektriciteitsnetten, pijpleidingen etc. beïnvloeden waardoor er grote schade kan ontstaan. Een van die zonnestormen veroorzaakte in 1989 in het Canadese Quebec een enorme stroomuitval. Dertig jaar later zijn onze elektrische systemen nog steeds kwetsbaar voor dergelijke gebeurtenissen.

Wetenschappers bestuderen de ionosfeer met behulp van radar, camerá en satellieten en ze stellen computermodellen op om de fysische en chemische dynamiek in dit deel van de atmosfeer beter te begrijpen. Gewapend met deze kennis hopen ze verstoringen in de ionosfeer beter te kunnen voorspellen en problemen op Aarde te voorkomen.

Eerste publicatie: 5 maart 2021
Bron: space.com en anderen