Lavorando insieme ai ricercatori spaziali, I fotografi dilettanti finlandesi hanno scoperto una nuova forma aurorale. Chiamate "dune" dagli hobbisti, si ritiene che il fenomeno sia causato da ondate di atomi di ossigeno incandescenti a causa di un flusso di particelle rilasciate dal Sole.

Nello studio recentemente pubblicato, le origini delle dune sono state rintracciate in una guida d'onda formata all'interno della mesosfera e del suo confine, la mesopausa. Lo studio ipotizza inoltre che questa nuova forma aurorale fornisca ai ricercatori un nuovo modo per studiare le condizioni nell'alta atmosfera.

Lo studio è stato pubblicato nel primo numero della rivista ad alto impatto I progressi dell'AGU .

Un'impronta digitale sconosciuta appare nel cielo

Minna Palmroth, Professore di Fisica Spaziale Computazionale presso l'Università di Helsinki, dirige un gruppo di ricerca che sviluppa la simulazione più accurata al mondo dello spazio vicino alla Terra e del clima spaziale che causano emissioni aurorali.

Il sole rilascia un flusso costante di particelle cariche, noto come vento solare. Raggiungendo l'atmosfera superiore ionizzata della Terra, la ionosfera, creano emissioni aurorali eccitando l'ossigeno atmosferico e gli atomi di azoto. Lo stato di eccitazione viene rilasciato come luce aurorale.

Alla fine del 2018, Palmroth ha pubblicato un libro intitolato "Revontulibongarin opas" ("Una guida per gli osservatori dell'aurora boreale"). Il libro è nato dalla collaborazione di Palmroth con gli appassionati di Northern Lights e dalle risposte che ha fornito alle domande sulla fisica del fenomeno nel gruppo Facebook degli hobbisti.

Migliaia di magnifiche fotografie dell'aurora boreale scattate da hobbisti sono state esaminate e classificate per il libro. Ogni forma aurorale è come un'impronta digitale, tipico solo di un certo fenomeno nella zona aurorale. Durante la classificazione, gli hobbisti hanno sottolineato che una certa forma aurorale non rientrava in nessuna delle categorie preesistenti. Palmroth mise da parte queste forme insolite per una successiva considerazione.

Per una coincidenza quasi incredibile, pochi giorni dopo la pubblicazione del libro, gli hobbisti hanno visto di nuovo questa forma insolita e hanno immediatamente informato Palmroth. La forma appariva come un modello di onde sfumato di verde e uniforme che ricordava un velo a strisce di nuvole o dune su una spiaggia sabbiosa.

"Uno dei momenti più memorabili della nostra collaborazione di ricerca è stato quando il fenomeno è apparso in quel momento specifico e siamo stati in grado di esaminarlo in tempo reale, " dice Matti Helin, appassionato di aurora boreale e astronomia.

Onde appena rivelate dall'aurora

Avviate le indagini sul fenomeno, con osservazioni hobbistiche e metodi scientifici che si uniscono per spiegare le onde.

"Era come mettere insieme un puzzle o condurre un lavoro investigativo, " dice Helin. "Ogni giorno trovavamo nuove immagini e trovavamo nuove idee. Infine, siamo andati a fondo..."

Il fenomeno è stato fotografato contemporaneamente sia a Laitila che a Ruovesi, Finlandia sud-occidentale, con lo stesso dettaglio osservato nell'emissione aurorale in entrambe le immagini. Maxime Grandin, un ricercatore post-dottorato nel team di Palmroth, ha identificato le stelle dietro l'emissione e ha determinato gli azimut e l'elevazione delle stelle con l'aiuto del programma software di astronomia Stellarium. Ciò ha permesso di utilizzare le stelle come punti di riferimento per il calcolo dell'altitudine e dell'estensione del fenomeno aurorale.

Grandin ha scoperto che le dune aurorali si trovano a un'altitudine relativamente bassa di 100 chilometri, nelle parti superiori della mesosfera. La lunghezza d'onda del campo d'onda è stata misurata in 45 chilometri.

Un totale di sette eventi simili, in cui una telecamera aveva registrato lo stesso modello uniforme di onde, sono stati ulteriormente identificati dal servizio "Taivaanvahti" ("Sky Watch") gestito dalla Finnish Amateur Astronomer Association, Orsa.

Regione inesplorata

La parte della zona aurorale in cui l'atmosfera elettricamente neutra della Terra incontra il confine dello spazio è un ambiente estremamente impegnativo per i satelliti e altri strumenti spaziali. Palmroth dice che questo è il motivo per cui è uno dei luoghi meno studiati del nostro pianeta.

"A causa delle difficoltà nel misurare i fenomeni atmosferici che si verificano tra gli 80 e i 120 chilometri di altitudine, a volte chiamiamo questa zona "l'ignorosfera, '" lei dice.

Le dune sono state osservate proprio in quella particolare regione della zona aurorale. Il fenomeno osservato ha guidato i ricercatori verso una via di mezzo tra ricerca atmosferica e ricerca spaziale, come la solita metodologia della fisica spaziale non potrebbe spiegarlo da sola.

"Le differenze di luminosità all'interno delle onde delle dune potrebbero essere dovute a entrambe le onde nelle particelle precipitanti provenienti dallo spazio, o negli atomi di ossigeno atmosferico sottostanti, "dice Palmroth. "Abbiamo finito per proporre che le dune siano il risultato dell'aumento della densità degli atomi di ossigeno".

Prossimo, il team ha dovuto determinare come la variabilità nella densità degli atomi di ossigeno causata dalle onde di gravità nell'atmosfera si traduce in un campo di onde così uniforme e diffuso. Normalmente all'altitudine di studio ci sono molti diversi tipi di onde gravitazionali che viaggiano in direzioni diverse a lunghezze d'onda diverse, ecco perché non formano facilmente i campi d'onda uniformi esibiti dalle dune.

L'aurora boreale illumina un pozzo di marea

Lo studio suggerisce che il fenomeno in questione è un foro mesosferico, un fenomeno raro e poco studiato che si svolge nella mesosfera. Il fenomeno della marea è un'onda comune a molti fiumi, dove la marea risale il canale del fiume.

Vari tipi di onde gravitazionali nascono nell'atmosfera e poi salgono. In casi molto rari, le onde gravitazionali possono essere filtrate mentre salgono tra la mesopausa e uno strato di inversione che si forma a intermittenza al di sotto della mesopausa. Lo strato di inversione fa piegare le onde filtrate e consente loro di percorrere lunghe distanze attraverso il canale senza attenuazione.

Quando gli atomi di ossigeno nel foro si scontrano con gli elettroni che precipitano nell'atmosfera, si eccitano. Quando si rilascia questa eccitazione, creano la luce aurorale. Questo è il motivo per cui i fori mesosferici, un fenomeno finora considerato un argomento di ricerca molto impegnativo, possono essere occasionalmente visti ad occhio nudo.

I ricercatori spaziali si concentrano sull'atmosfera

Prima di questa scoperta, non sono stati osservati fori mesosferici nella zona aurorale, né sono stati studiati tramite emissioni aurorali.

"La zona aurorale nel suo insieme è di solito scontata negli studi incentrati sulla noia, poiché le emissioni aurorali compromettono la tecnica utilizzata per identificare i fori mesosferici, "dice Palmroth.

Tradizionalmente, i ricercatori specializzati nell'atmosfera e nello spazio hanno ampiamente studiato i loro argomenti di interesse separati l'uno dall'altro. Questo perché ci sono solo una manciata di meccanismi noti di interazione tra la ionosfera che bagna gli elettroni precipitanti, e l'atmosfera neutra.

Con l'aiuto di dispositivi di misurazione gestiti dall'Istituto meteorologico finlandese, si è scoperto che le dune si trovano simultaneamente e nella stessa regione in cui l'energia elettromagnetica proveniente dallo spazio viene trasferita all'ignorosfera.

"Ciò potrebbe significare che l'energia trasmessa dallo spazio alla ionosfera può essere collegata alla creazione dello strato di inversione nella mesosfera, " dice Palmroth. "In termini di fisica, sarebbe una scoperta sbalorditiva, in quanto rappresenterebbe un meccanismo di interazione nuovo e precedentemente inosservato tra la ionosfera e l'atmosfera."