"Explosive Auroras": Was verursacht diese Stroboskop-Anzeigen?

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High-Speed-Video der Nordlichter hat gezeigt, warum die glorreichen Himmelsshows manchmal wie Stroboskope flimmern: Es geht nur um die Gase.

Ein Team der Universität von Tokio und des japanischen Instituts für Polarforschung hat drei Jahre lang Hochgeschwindigkeitsvideos der Aurora Borealis aufgenommen. Sie waren auf der Suche nach Bildern von "explosiven Polarlichtern", die aufblitzen und nicht die Vorhang-ähnlichen Formen erzeugen, die die meisten Aurorafotografen suchen.

Was sie gefunden haben, war nicht nur das bekannte Flimmern, das jede Zehntelsekunde passiert, sondern auch schnellere Pulse. Einige Auroras flackerten bei 50 bis 60 Mal pro Sekunde und einige bei 80 Mal pro Sekunde. [Aurora Fotos: Atemberaubende Aussicht auf das Nordlicht]

Auroras passieren, wenn geladene Teilchen von der Sonne das Magnetfeld der Erde in Höhen von einigen tausend Meilen treffen. Diese geladenen Teilchen werden mit hoher Geschwindigkeit entlang der magnetischen Feldlinien getrieben und kollidieren mit Gasatomen in der weit oberen Atmosphäre der Erde, einer Region, die Exosphäre genannt wird. Wenn diese Kollision stattfindet, emittieren die Sauerstoff- und Stickstoffatome in der Luft Licht, entsprechend der nationalen Ozean- und atmosphärischen Verwaltungswebsite. Während Sauerstoff ein grünlich-gelbes oder rotes Licht abgibt, emittiert Stickstoff laut NASA in der Regel ein blaues Licht.

Durch das Betrachten der Videoaufnahmen könnten die Forscher die schnelleren Lichtpulse verfolgen, um ihre reguläre Frequenz zu sehen, was nahelegt, dass das Flackern geschieht, weil einige Atome eine so genannte Zyklotronfrequenz haben, sagten sie. Die Zyklotronfrequenz ist, wie oft ein Ion - ein Atom, das von einem oder mehreren Elektronen befreit ist - sich in spiralförmiger Bewegung um eine Magnetfeldlinie dreht. Im Falle von Sauerstoff sind die Atome etwa 10 mal pro Sekunde spiralförmig. Dies erzeugt ein elektromagnetisches Ionenzyklotron oder eine EMIC-Welle, die sich durch das Gas geladener Teilchen (genannt Plasma) ausbreitet. EMIC-Wellen beginnen hoch in der Atmosphäre, von einer Höhe von etwa 1.800 Meilen auf 3.000 bis 1.500 Kilometer. Die Wellen sind Schwingungen in den Elektronen der verschiedenen Gasatome - Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff -, die sich in der Nähe magnetischer Feldlinien hin und her bewegen. (Es ist wie eine Menschenmenge, die in einem Stadion die Welle spielt.)

Die EMIC-Wellen erzeugen Wellen im Plasma selbst, und diese Wellen interagieren mit den geladenen Teilchen. Diese geladenen Teilchen - meist freie Elektronen - gelangen in niedrigeren Höhen, etwa 250 bis 60 Meilen (400 bis 100 km), in die Atmosphäre, treffen Gasmoleküle in der Atmosphäre und bilden Polarlichter. Während die Welle entlang der Magnetfeldlinien wandert, stimuliert sie die Ionen im Plasma, um mit einer charakteristischen Frequenz zu leuchten. Wenn geladene Teilchen, die durch die EMIC-Welle angeregt werden, sich alle gemeinsam bewegen, emittieren sie Strahlung, die wir als ein Flimmern mit einem "Schlag" sehen können, der mit der Zyklotronfrequenz übereinstimmt. Eine sorgfältige Untersuchung des Flackerns kann zeigen, welche Gase sich im Plasma befinden.

"Wenn wir das Flackern im Detail betrachten, können wir die Umgebung des Plasmas im Weltraum besser diagnostizieren", sagte Co-Autor Ryuho Kataoka vom National Institute of Polar Research in einer E-Mail an Live Science.

Die Beobachtungen zeigen, dass das Flackern mehr ist als Sauerstoff, der eine Zyklotronfrequenz von 10 Mal pro Sekunde aufweist. Das andere, schnellere Flackern war wahrscheinlich auf Wasserstoff zurückzuführen. "Die Zyklotronfrequenz von Wasserstoffionen ist 16-mal schneller als die von Sauerstoff, während die Zyklotronfrequenz von Heliumionen viermal schneller ist als die von Sauerstoff", sagte Kataoka. "Wenn Sie also 10 Hertz Sauerstoff als Basislinie haben, dann erscheinen 'Wasserstoffband'-EMIC-Wellen im Frequenzbereich zwischen 40 Hertz und 160 Hertz." Genau dort, wo das schnellere Flackern war.

In den Videoaufnahmen können Sie das charakteristische Grün von Sauerstoff bei 100 bis 200 km sehen. In höheren Lagen emittiert Sauerstoff im roten Wellenlängenbereich.

"Astronomische Objekte mit Magnetfeldern finden sich überall im Kosmos, wobei die Erde eine davon ist. Auf solchen Objekten beobachten wir die Anregung von Plasmawellen durch beschleunigende Teilchen, und die Wechselwirkungen zwischen Plasmawellen und Teilchen treten überall auf." Kataoka sagte in einer Erklärung. "Aber die Erde ist der einzige Ort, an dem wir diese Phänomene im Detail beobachten können."

Die Studie wurde erstmals in der Zeitschrift Geophysical Research Letters vom 13. Mai veröffentlicht.

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