Wytrącanie elektronów

Wytrącanie elektronów (zwane również wytrącaniem elektronów energetycznych lub EEP ) to zjawisko atmosferyczne, które występuje, gdy wcześniej uwięzione elektrony przedostają się do atmosfery ziemskiej , powodując w ten sposób zakłócenia komunikacyjne i inne zakłócenia. Elektrony uwięzione przez ziemskie pole magnetyczne krążą wokół linii pola , tworząc pas promieniowania Van Allena . Elektrony pochodzą z wiatru słonecznego i mogą pozostać uwięzione nad Ziemią przez nieokreślony czas (w niektórych przypadkach lata). Kiedy szerokopasmowe o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) rozchodzą się w pasach promieniowania, elektrony opuszczają pas promieniowania i „wytrącają się” (lub podróżują) do jonosfery ( obszar ziemskiej atmosfery), gdzie elektrony zderzają się z jonami . Wytrącanie elektronów jest regularnie związane ze zubożeniem warstwy ozonowej . Często jest to spowodowane uderzeniem pioruna .

Proces

Częstotliwość żyroskopowa elektronu to liczba obrotów elektronu wokół linii pola. Fale VLF przemieszczające się przez magnetosferę , wywołane wyładowaniami atmosferycznymi lub silnymi nadajnikami, rozchodzą się w pasie promieniowania. Kiedy te fale VLF uderzają w elektrony z tą samą częstotliwością, co częstotliwość żyroskopowa elektronu, elektron opuszcza pas promieniowania i „wytrąca się” (ponieważ nie będzie mógł ponownie wejść do pasa promieniowania) w ziemskiej atmosferze i jonosferze.

Często, gdy elektron wytrąca się, jest kierowany do górnych warstw atmosfery, gdzie może zderzyć się z neutralnymi cząstkami, wyczerpując w ten sposób energię elektronu. Jeśli elektron przedostanie się przez górne warstwy atmosfery, przejdzie dalej do jonosfery. Grupy wytrąconych elektronów mogą zmieniać kształt i przewodnictwo jonosfery, zderzając się z atomami lub cząsteczkami (zwykle cząstkami na bazie tlenu lub azotu) w regionie. Podczas zderzenia z atomem elektron pozbawia atom pozostałych elektronów, tworząc jon. Zderzenia z cząsteczkami powietrza uwalniają również fotony , które dają słaby efekt „ aurory ”. Ponieważ dzieje się to na tak dużej wysokości, promieniowanie nie ma wpływu na ludzi w samolotach.

Proces jonizacji, wywołany wytrącaniem się elektronów w jonosferze, zwiększa jej przewodnictwo elektryczne, co z kolei obniża dno jonosfery na niższą wysokość. Kiedy tak się dzieje, zubożenia warstwy ozonowej i niektóre połączenia mogą zostać zakłócone. Obniżona wysokość jonosfery jest tymczasowa (chyba że wytrącanie elektronów jest stałe), podczas gdy jony i elektrony szybko reagują, tworząc neutralne cząstki.

Zubożenie warstwy ozonowej

Wytrącanie elektronów może prowadzić do znacznej, krótkotrwałej utraty ozonu (do około 90%). Jednak zjawisko to jest również skorelowane z pewnym długotrwałym zubożeniem warstwy ozonowej. Badania wykazały, że w latach 2002-2012 miało miejsce 60 głównych opadów elektronów. Różne narzędzia pomiarowe (patrz poniżej) wskazują różne średnie zubożenia warstwy ozonowej w zakresie od 5 do 90%. Jednak niektóre narzędzia (szczególnie te, które zgłaszały niższe średnie) nie wykonywały dokładnych odczytów lub pomijały kilka lat. Zazwyczaj ubytek warstwy ozonowej wynikający z wytrącania elektronów występuje częściej w sezonie zimowym. Największe zdarzenie EEP z badań w latach 2002-2012 odnotowano w październiku 2003 r. Zdarzenie to spowodowało zubożenie warstwy ozonowej do 92%. Trwało to 15 dni, a warstwa ozonowa została w pełni odbudowana kilka dni później. Badania EEP nad zubożeniem warstwy ozonowej są ważne dla monitorowania bezpieczeństwa środowiska Ziemi i zmian w cyklu słonecznym .

typy

Wytrącanie elektronów może być powodowane przez fale VLF z komunikacji opartej na potężnych nadajnikach i burze z piorunami.

Wytrącanie elektronów wywołane wyładowaniami atmosferycznymi (LEP)

Wytrącanie elektronów wywołane wyładowaniami atmosferycznymi (określane również jako LEP) występuje, gdy piorun uderza w Ziemię. Kiedy piorun uderza w ziemię, impuls elektromagnetyczny (EMP) , który może uderzyć w uwięzione elektrony w pasie promieniowania. Elektrony są następnie usuwane i „wytrącane” do atmosfery ziemskiej. Ponieważ EMP wywołane uderzeniem pioruna jest tak silne i występuje w szerokim zakresie widma, wiadomo, że powoduje więcej wytrącania elektronów niż wytrącanie indukowane przez nadajnik.

Indukowane nadajnikiem wytrącanie promieniowania elektronowego (TIPER)

Aby wywołać wytrącanie elektronów, nadajniki muszą wytwarzać bardzo silne fale o długości fali od 10 do 100 km. Systemy komunikacji morskiej często powodują wywołane przez nadajnik wytrącanie promieniowania elektronowego (TIPER), ponieważ do komunikacji przez wodę potrzebne są potężne fale. Te potężne nadajniki działają prawie o każdej porze dnia. Czasami fale te będą miały dokładny kierunek i częstotliwość potrzebną do spowodowania wytrącenia elektronu z pasa promieniowania.

Metody pomiarowe

Wytrącanie elektronów można badać za pomocą różnych narzędzi i metod obliczania jego wpływu na atmosferę. Naukowcy wykorzystują analizę nałożonych epok , aby wziąć pod uwagę mocne i słabe strony dużego zestawu różnych metod pomiarowych. Następnie wykorzystują zebrane dane do obliczenia, kiedy ma miejsce zdarzenie EEP i jego wpływ na atmosferę.

Pomiary satelitarne

W większości przypadków pomiary satelitarne wytrącania elektronów są w rzeczywistości pomiarami ubytku ozonu, który jest następnie powiązany ze zdarzeniami EEP. Różne przyrządy wykorzystują różnorodne metody obliczania poziomów ozonu. Chociaż niektóre metody mogą dostarczać znacznie niedokładnych danych, średnia wszystkich połączonych danych jest powszechnie akceptowana jako dokładna.

GOMOS

Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) to instrument pomiarowy na pokładzie europejskiego satelity Envisat . Mierzy ilość ozonu za pomocą widma elektromagnetycznego emitowanego z otaczających gwiazd w połączeniu z obliczeniami trygonometrycznymi w procesie zwanym zakryciem gwiazd .

SZABLA

Sondowanie atmosfery za pomocą szerokopasmowej radiometrii emisyjnej (SABRE) to instrument pomiarowy na pokładzie satelity NASA Thermal Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED). Przyrząd mierzy ozon (i inne warunki atmosferyczne) za pomocą radiometru na podczerwień (o zakresie widmowym od 1,27 μm do 17 μm).

MLS

Microwave Limb Sounder (MLS) , instrument na pokładzie satelity Aura , mierzy emisję mikrofal z górnych warstw atmosfery Ziemi. Dane te mogą pomóc naukowcom określić poziomy zubożenia warstwy ozonowej z dokładnością do 35%.

MEPED

Detektor elektronów protonowych o średniej energii (MEPED) mierzy elektrony w pasie promieniowania Ziemi i może oszacować ilość wytrącających się elektronów w jonosferze.

Detekcja subjonosferyczna

W przypadku wykrywania subjonosferycznego sygnał jest wysyłany z nadajnika VLF przez pas promieniowania do odbiornika VLF na drugim końcu. Sygnał VLF spowoduje wytrącenie niektórych elektronów, zakłócając w ten sposób sygnał VLF, zanim dotrze on do odbiornika VLF po drugiej stronie. Odbiornik VLF mierzy te zakłócenia i wykorzystuje dane do oszacowania ilości wytrąconych elektronów.

DUDZIARZ

PIPER to wyprodukowany w Stanford fotometr zaprojektowany specjalnie do wychwytywania fotonów emitowanych podczas jonizacji w jonosferze. Naukowcy mogą wykorzystać te dane do wykrywania zdarzeń EEP i mierzenia ilości wytrąconych elektronów.

promienie rentgenowskie

rentgenowski może być używany w połączeniu z innym sprzętem do pomiaru wytrącania elektronów. Ponieważ promieniowanie rentgenowskie jest emitowane podczas zderzeń elektronów, promieniowanie rentgenowskie znalezione w jonosferze można skorelować ze zdarzeniami EEP.

Teledetekcja VLF

VLF Remote Sensing to technika monitorowania wytrącania elektronów poprzez monitorowanie transmisji VLF z Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych pod kątem „Trumi Events” (duże zmiany fazy i amplitudy fal). Chociaż ta metoda może monitorować wytrącanie elektronów, nie może monitorować jonizacji wspomnianych elektronów.

Historia

James Van Allen z State University of Iowa wraz ze swoją grupą jako pierwsi wykorzystali pojazdy z czujnikami do badania strumieni elektronów wytrącających się w atmosferze za pomocą rakiet Rockoon . Rakiety osiągnęłyby maksymalną wysokość 50 km. Wykryte miękkie promieniowanie zostało później nazwane na cześć Van Allena w 1957 roku.

Kolejnego postępu w badaniach wytrącania elektronów dokonał Winckler ze swoją grupą z uniwersytetu w Minnesocie. Użyli balonów, które przenosiły detektory do atmosfery.