Внаслідок виверження Тонга утворилася надзвичайно рідкісна “суперплазмова бульбашка” у іоносфері

Оскільки технології все більше впроваджуються в наше повсякденне життя, стає все важливішим розуміти космічну погоду та її вплив на технології.

Коли хтось чує « космічна погода », зазвичай думає про величезні вибухи на Сонці – викиди корональної маси, що кидаються на Землю, створюючи красиві прояви полярного сяйва .

Однак не вся космічна погода починається на Сонці.

Виверження вулкана в Тонга в січні 2022 року було настільки масштабним, що створило хвилі у верхніх шарах атмосфери, які створили власну форму космічної погоди.

Це був один із найбільших вибухів у сучасній історії та вплинув на GPS в Австралії та Південно-Східній Азії. Як ми описуємо в нашому новому дослідженні в журналі Space Weather , виверження спричинило надвисоку «плазмову бульбашку» над північною Австралією, яка тривала годинами.

Справді глобальна система позиціонування

Хоча більшість людей мають приймач GPS (глобальна система позиціонування) на своїх пристроях (таких як супутникові навігації та смартфони), мало хто знає, як насправді працює GPS.

По суті, наші пристрої слухають радіосигнали, що передаються супутниками, що обертаються навколо Землі. Використовуючи ці сигнали, вони обчислюють своє місцеперебування відносно супутників, що дозволяє нам зорієнтуватися та знайти найближчий паб чи кафе .

На радіосигнали, отримані нашими пристроями, впливає атмосфера Землі (зокрема шар, який називається іоносферою ) , що погіршує точність визначення місцезнаходження. Звичайні пристрої мають точність лише в межах десятків метрів.

Однак нові та вдосконалені системи точного супутникового позиціонування, які використовуються в гірничодобувній промисловості, сільському господарстві та будівництві, можуть бути з точністю до десяти сантиметрів. Єдина заковика полягає в тому, що цим системам потрібен час, щоб зафіксувати своє місцезнаходження, і це може зайняти тридцять хвилин або більше.

Це точне супутникове позиціонування працює шляхом точного моделювання помилок, спричинених іоносферою Землі. Але щоразу, коли іоносфера порушується, її стає складніше і важко моделювати.

Наприклад, коли відбувається геомагнітна буря (збурення сонячного вітру, яке впливає на магнітне поле Землі), іоносфера стає турбулентною, і радіохвилі, що проходять через неї, розсіюються, як видиме світло, яке вигинається та розсіюється, коли дивитися вниз на озеро в бурхливих умовах.

Вулканічний вибух

Нещодавні дослідження показали, що виверження вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай спричинило нестабільні умови в іоносфері, які тривали кілька днів. Розмір хвиль, які він генерував в іоносфері, був подібний до хвиль, створюваних геомагнітними бурями .

Хоча ці хвилі впливали на дані GPS по всьому світу протягом кількох днів після виверження, їхній вплив на позиціонування був досить обмеженим у порівнянні з іншим типом збурення в іоносфері – «суперплазмовою бульбашкою», яка утворилася внаслідок виверження.

Іоносфера — це шар атмосфери Землі на висоті приблизно 80–800 кілометрів (50–500 миль). Він складається з газу з великою кількістю електрично заряджених частинок, що робить його « плазмою ».

У свою чергу, екваторіальні плазмові бульбашки – це плазмові збурення в іоносфері, які природно виникають вночі над регіонами низьких широт.

Такі плазмові бульбашки виникають регулярно. Вони утворюються внаслідок явища, яке називається «узагальненою нестабільністю Релея-Тейлора». Це схоже на те, що відбувається, коли важка рідина сидить поверх менш важкої рідини, а краплі цієї легшої рідини піднімаються у важку рідину у вигляді «бульбашок» (див. відео нижче).

Однак коли справа доходить до збурень в іоносфері, плазма також контролюється магнітними та електричними полями.

Піднімаючись, бульбашки плазми утворюють структури дивної форми, що нагадують кактуси або перевернуті коріння дерев. Завдяки магнітному полю Землі ці структури розширюються віялом, коли бульбашка росте над екватором.

Результатом є те, що висотні бульбашки також досягають вищих широт. Як правило, бульбашки плазми досягають кількох сотень кілометрів над екватором, досягаючи широт від 15 до 20 градусів на північ і південь.

Рідкісний міхур над Австралією

Вчені виявили суперплазмову бульбашку над Південно-Східною Азією незабаром після виверження вулкана Тонга. За оцінками, він подібний до рідкісних супербульбашок, про які повідомлялося раніше .

Магнітне поле Землі перенесло це збурення на південь, де воно затрималося на кілька годин над Таунсвіллом на північному сході Австралії.

На сьогоднішній день це найдальша на південь будь-яка плазмова бульбашка, яку спостерігали над Австралією. Відомо, що такі супербульбашки виникали над північною Австралією, хоча вони дуже рідкісні, але до цієї події їх безпосередньо не спостерігали.

Розгортання GPS-станцій у північній Австралії лише нещодавно зробило можливим цей тип спостереження.

Відомо, що хвилі від виверження вулкана збурили вітри у верхніх шарах атмосфери, змінивши потік плазми в іоносфері та породивши суперплазмовий міхур.

Наше дослідження виявило, що бульбашка спричинила значні затримки у використанні точного GPS у північній Австралії та Південно-Східній Азії. У деяких випадках визначення місцезнаходження GPS займало на п’ять годин більше часу через плазмовий міхур.

Хоча ми багато розуміємо про іоносферу, наша здатність передбачити її збурення все ще обмежена. Наявність більшої кількості станцій GPS корисно не тільки для покращення позиціонування та навігації, але й заповнює прогалини в моніторингу іоносфери.

Виверження Тонга було далеким від типової події “космічної погоди”, викликаної Сонцем. Але його вплив на верхні шари атмосфери та GPS підкреслює важливість розуміння того, як навколишнє середовище впливає на технології, на які ми покладаємося.