Wetenschappers weten al geruime tijd dat de atmosfeer van de aarde elke dag honderden tonnen zuurstof verliest. Ze begrijpen hoe dit zuurstofverlies plaatsvindt aan de nachtkant van de aarde, maar ze weten niet zeker hoe het aan de dagkant gebeurt. Ze weten echter één ding; ze gebeuren tijdens aurora's.
Volgens een persbericht van NASA's Earth Observatory zijn geen twee zuurstofuitstroomgebeurtenissen precies hetzelfde, waardoor het een uitdaging is om ze te begrijpen. Ze noemen de gebeurtenissen ‘gasfonteinen’ die tijdens aurorale activiteiten uit de aarde ontsnappen, en de Earth Observatory heeft een missie om ze te begrijpen.
De missie maakt deel uit van het Earth Observatory-programma van de NASA genaamd VISIONS-2 (Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2) en vereist bepaalde voorwaarden. Het speelt zich niet voor niets af in Ny Alesund, Svalbard, Noorwegen. Het is de noordelijkste burgerlijke nederzetting het hele jaar door. Het heeft het hele jaar door een ijsvrije haven en een moderne raketlanceringsfaciliteit. Er is hier ook geen zon in de winternacht om de aurora te bestuderen.
Maar er is nog iets dat dit de perfecte setting maakt voor de VISIONS-2-missie. Elke ochtend passeert Ny Alesund onder een zwak punt in de magnetische bubbel van de aarde. Het zwakke punt is als een trechter die de felle zonnewind in onze bovenste atmosfeer kanaliseert. Dat veroorzaakt aurorale vertoningen en brengt de gassen van onze atmosfeer weg in het vacuüm van de ruimte in een aurorale fontein.
Onlangs lanceerden onderzoekers met VISIONS-2 twee klinkende raketten om zuurstofverlies tijdens aurora's te onderzoeken. Klinkende raketten zijn kleine, gerichte raketten die snel kunnen worden gelanceerd. In dit geval waren de twee raketten geladen met camera's en andere instrumenten en klaargemaakt voor lancering.
Het lanceerteam moet erg geduldig zijn. Maar ze hebben natuurlijk technologie aan hun kant. Ze hoeven niet te wachten tot ze de aurora zien, ze hebben een aurora vooraf opgemerkt dankzij de DSCOVR-satelliet (Deep Space Climate Observatory).
DSCOVR is het observatorium voor zonnewind van de NOAA. Het zit op het LaGrange-punt tussen de aarde en de zon en vertelt het VISIONS-2-team wanneer de zonnewind krachtig genoeg is en op de juiste manier gericht om aurora's te veroorzaken. In het beste geval krijgt het team een waarschuwing van ongeveer een uur.
Zelfs met geavanceerde waarschuwing is het team voorzichtig. Als de zonnewind te zwak blijkt te zijn, hebben ze de lancering verspild. Als de aardse windomstandigheden in de atmosfeer van de aarde te sterk zijn, is dat ook een probleem. De raketten zijn ongeleid, dus ze moeten worden georiënteerd voordat ze worden gelanceerd om rekening te houden met wind. Gelukkig heeft het team een andere tool tot hun beschikking, weerballonnen die indien nodig elke 30 minuten worden gelanceerd om de wind te testen.
"We hadden zo'n geweldige ervaring met het bouwen van deze zeer complexe en capabele payloads ..." - Doug Rowland, hoofdonderzoeker, NASA's Goddard Space Flight Center.
De raketten werden opgevoerd in Ny-Ålesund, Svalbard (Noorwegen) en de onderzoekers wachtten op een aurora voordat ze het paar lanceerden. Op 7 december 2018 lanceerden de onderzoekers de twee raketten tijdens een aurora. De onderstaande foto is een lange belichting van de raketten, die beide lanceringen vastlegt, hoewel ze een paar minuten van elkaar verwijderd waren.
De missie gebruikte een paar raketten, zodat ze elk een mix van verschillende instrumenten konden gebruiken. Sommige instrumenten hadden een draaiend platform nodig en andere niet. Een paar raketten gelanceerd met een paar minuten ertussen zorgde er ook voor dat soortgelijke instrumenten in de loop van de tijd metingen konden verrichten. De bovenstaande afbeelding toont de eerste fase van ontstekingen en burn-outs van de twee raketten, terwijl ze op hun missie werden gestuurd om zuurstofverlies in de atmosfeer van de aarde te bestuderen.
"We hadden zo'n geweldige ervaring met het bouwen van deze zeer complexe en capabele payloads, ze te integreren en te testen bij Wallops, en ze vervolgens naar het veld te brengen", zegt Doug Rowland, hoofdonderzoeker van de missie en ruimtefysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center. "De lancering was een zeer emotioneel moment, vooral toen we zagen dat alle instrumenten goed hadden gepresteerd en de wetenschappelijke omstandigheden goed waren."
Na de lancering heeft de raket tien minuten de tijd om zijn werk te doen in de sfeervolle fontein. Neutrale atoombeeldcamera's bouwen van binnen en van buiten een beeld op van de fontein. De poollichtcamera documenteert het poollicht zelf, de temperatuur, intensiteit en hoogte. Als alles goed gaat, wordt het onderzoeksteam beloond met een 'muur van wetenschap'.
De lancering op 7 december lijkt succesvol te zijn geweest. Een vroege blik op de data laat zien dat de instrumenten goed functioneerden en de beoogde data teruggaven. "Ik geloof dat we de‘ atmosferische fontein ’hebben gezien, 'zei Rowland. De gegevens moeten nog steeds worden geanalyseerd en geschaald, 'maar we kunnen er vanuit meerdere perspectieven bewijs van hebben.'
De aarde is duidelijk een dynamische, levende, actieve planeet. Er gebeurt hier veel. Het VISIONS-2-project is niet alleen ontworpen om ons te helpen onze eigen planeet beter te begrijpen, maar ook andere planeten. Welke planeten zijn bewoonbaar? Waarom zijn sommigen zo verlaten? Hoe verloor een planeet als Mars, die ooit een atmosfeer had, deze?
De atmosfeer van de aarde zal niet snel verdwijnen. Pas als de zon in ongeveer 5 miljard jaar rood wordt. Op dat verre tijdstip zal de uitdijende zon onze atmosfeer als niets wegkoken. Dan zijn we klaar.
De hoeveelheid zuurstof (en waterstof) die tijdens deze aurora's uit de atmosfeer van de aarde verloren gaat, is minuscuul. Een paar honderd ton per dag klinkt misschien als veel, maar dat is het niet. Fotosynthese helpt in ieder geval om zuurstof te herstellen. Het is echter nog steeds een belangrijk stuk van de puzzel om te begrijpen hoe dingen werken en wat de details zijn in de relatie tussen de aarde en haar ster.
- Persbericht: Toward Mapping the Atmosphere’s Escape from Earth
- Earth Observatory Notes from the Field: hinderlaag de Aurora
- DSCOVR: Deep Space Climate Observatory
- Cornell University Ask en Astronomer: Hoeveel meteorieten raken de aarde elk jaar?
