汤加火山爆发如此强大,它把涟漪送入太空

汤加火山爆发如此强大,它把涟漪送入太空

汤加正在进行的火山喷发始于2021年12月,但直到当地时间2022年1月15日下午5点15分,才发生了强烈的爆炸。

它产生了巨大的火山灰云、地震和海啸,一直延伸到太平洋另一边秘鲁遥远的海岸线。

现在科学家们甚至正在寻找太空喷发的影响。

喷发柱到达地球的平流层,即从地面向上的第二层大气层。爆炸的声音在数千公里外的加拿大育空地区都能听到。尽管低于人类听觉的阈值,但英国的气压计甚至可以检测到压力(声)波。

似乎这次喷发似乎也产生了一系列所谓的“大气重力波”,这些波被美国宇航局的一颗卫星探测到,从火山以同心圆向外辐射。

包括我在内的科学家们现在正在研究这些波在太空中可能产生的影响。

我们研究的目的是更好地了解大气层的顶层,远高于国际空间站 (ISS) 的轨道,特别是它的变化在多大程度上是由地球上的事件驱动的(而不是空间环境) )。

它还可以帮助我们更好地了解 GPS 等技术如何受到火山爆发的影响。

由于大气对人眼来说大多是透明的,我们很少将其视为具有许多不同层次的复杂而动态的结构。我们大气层的上部卷须延伸到卡门线之上,卡门线海拔 100 公里(62 英里),太空正式开始。

这些大气层充满了向四面八方传播的波浪,就像海面上的波浪一样。这种大气重力波可以由任何数量的现象产生,包括由太阳爆发引起的地磁风暴、地震、火山、雷暴,甚至日出。

您自己可能已经看到了这些效果的一些效果,因为这些相同的波浪可以产生起伏的云。

电离层
这种波不仅水平传播,它们还会向上传播到我们星球大气层的一些最高部分——电离层。

这是地球大气层的一个区域,从大约 65 公里延伸到 1,000 多公里(国际空间站的轨道大约 400 公里)。在这些高度,大气气体被部分“电离”,形成所谓的等离子体,这意味着它的分子被分裂成带电粒子——称为离子的正原子和负电子。

大气中的电离是由于太阳的紫外线辐射、太空中的高能粒子,甚至流星的燃烧而发生的。

但考虑到带相反电荷的粒子相互之间产生吸引力,就像磁铁贴在冰箱门上一样,离子和电子也倾向于重新结合,再次产生中性分子。

因此,在等离子体产生和由于重组导致的等离子体损失之间,电离层存在复杂而连续的波动。

虽然这些过程在可见光中大多无法检测到,但它们会影响更长波长的无线电光。电离层中的等离子体可以反射某些频率的无线电波,将它们散射到其他频率,甚至完全阻挡它们。

这些特性使电离层可用于多种现代技术,包括高频无线电通信和超视距雷达。

但就像在地面上一样,电离层也受天气影响。这是由太空环境(太空天气)或地球上的事件引起的。

空间扰动
当火山喷发(或任何来源)产生的大气重力波到达电离层时,它们会触发所谓的“行进电离层扰动”。

这些是压缩波,可以在短时间内显着增强等离子体密度的波动,并且可以在全球范围内传播数千英里。这些影响可能会破坏现代技术,例如干扰卫星全球定位系统 (GPS) 的准确性。

过去的火山爆发与地面 GPS 接收器检测到的电离层的可测量变化有关,例如2015 年和2013 年。

为了更详细地研究这些干扰而不是它们对 GPS 的影响,我使用了来自称为低频阵列(Lofar) 的设施的数据。Lofar 是世界上最大的射电望远镜之一,由遍布欧洲的数十个射电天线组成,旨在观察早期宇宙中遥远的自然射电源,例如射电星系。

当通过电离层观察时,无线电源在太空中的出现类似于当我们搅拌(或摇晃)一杯水时,通过一杯水看到的物体会发生扭曲。

通过仔细分析,人们可以利用这些扭曲来了解电离层本身正在发生的事情。传播的电离层扰动会增强这些失真,尤其是在我们与 Lofar 一起使用的无线电波长处。

上面的视频(在这里可以看到)由Richard Fallows创建,显示了 2013 年 12 月的一些 Lofar 数据。亮点是自然射电源,例如遥远的星系。左图中的序列来自一个安静的夜晚,而右图中的电离层受到干扰。可以看到源快速改变位置并淡入淡出。

在接下来的几周里,我们将非常仔细地查看我们的 Lofar 数据,以调查是否存在可归因于汤加喷发的明显模式。

最终,这项研究可以帮助我们更好地了解地球上的火山如何影响空间和技术。

由于电离层是地球和太空之间的大气界面,它甚至可以揭示陆地与太空天气事件驱动扰动的精确程度。对话

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