Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Ha'apai. (NASA et al.) Der anhaltende Vulkanausbruch in Tonga begann im Jahr Dezember 2021 Doch erst am 15. Januar 2022 um 17:15 Uhr Ortszeit kam es zu der gewaltigen Explosion.
Es erzeugte eine enorme Aschewolke, Erdbeben und Tsunamis, die bis zu den fernen Küsten Perus auf der anderen Seite des Pazifiks reichte.
Jetzt suchen Wissenschaftler sogar nach den Auswirkungen des Ausbruchs im Weltraum.
Die Eruptionssäule erreichte die Stratosphäre der Erde, die zweite Schicht der Atmosphäre über dem Boden. Das Geräusch der Explosion war Tausende von Kilometern entfernt zu hören Yukon Gebiet , Kanada. Und obwohl sie unterhalb der menschlichen Hörschwelle lagen, wurden die Druckwellen (Schallwellen) sogar von Barometern erfasst im Vereinigten Königreich .
Es scheint, dass der Ausbruch auch stattgefunden hat generiert eine Reihe sogenannter „atmosphärischer Schwerewellen“, die von einem NASA-Satelliten erfasst wurden und in konzentrischen Kreisen vom Vulkan nach außen strahlen.
Wissenschaftler, darunter auch ich, wollen nun herausfinden, welche Auswirkungen diese Wellen im Weltraum haben könnten.
Der Zweck unserer Forschung besteht darin, die obersten Ebenen der Atmosphäre besser zu verstehen, weit über der Umlaufbahn der Internationalen Raumstation (ISS), und insbesondere, inwieweit Veränderungen darin durch Ereignisse auf der Erde (im Gegensatz zur Weltraumumgebung) verursacht werden ).
Es könnte uns auch helfen, besser zu verstehen, wie sich Vulkanausbrüche auf Technologien wie GPS auswirken.
Da die Atmosphäre für das menschliche Auge größtenteils transparent ist, betrachten wir sie selten als komplexe und dynamische Struktur viele verschiedene Schichten . Die oberen Ranken unserer Atmosphäre erstrecken sich weit darüber Karman-Linie , der Punkt 100 km (62 Meilen) über dem Meeresspiegel, an dem der Weltraum offiziell beginnt.
Diese atmosphärischen Schichten sind voller Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten, ähnlich wie Wellen auf der Meeresoberfläche. Solch atmosphärische Schwerewellen kann durch eine beliebige Anzahl von Phänomenen erzeugt werden, einschließlich geomagnetische Stürme verursacht durch Sonnenausbrüche, Erdbeben, Vulkane, Gewitter und sogar Sonnenaufgang.
Sie haben wahrscheinlich selbst einige der Auswirkungen gesehen, die dieselben Wellen erzeugen können wellige Wolken .
Die Ionosphäre
Solche Wellen breiten sich nicht nur horizontal aus, sondern breiten sich auch nach oben zu einigen der höchsten Teile der Atmosphäre unseres Planeten aus – der Ionosphäre.
Dabei handelt es sich um einen Bereich der Erdatmosphäre, der sich von etwa 65 km bis über 1.000 km Höhe erstreckt (die ISS umkreist die Erde in etwa 400 km Höhe). In diesen Höhen werden atmosphärische Gase teilweise „ionisiert“ und bilden ein sogenanntes Plasma, das heißt, seine Moleküle werden in geladene Teilchen gespalten – positive Atome, sogenannte Ionen, und negative Elektronen.
Die Ionisierung in der Atmosphäre erfolgt durch die Einwirkung von ultravioletter Strahlung der Sonne und hochenergetischen Teilchen aus dem Weltall und sogar verglühende Meteore.
Aber da entgegengesetzt geladene Teilchen eine Anziehungskraft aufeinander ausüben, wie ein Magnet, der an einer Kühlschranktür haftet, neigen Ionen und Elektronen auch dazu, sich zu rekombinieren, wodurch wiederum neutrale Moleküle entstehen.
Es gibt also in der Ionosphäre eine komplexe und kontinuierliche Schwankung zwischen Plasmaproduktion und Plasmaverlust durch Rekombination.
Während diese Prozesse im sichtbaren Licht größtenteils nicht nachweisbar sind, können sie Radiolicht mit längerer Wellenlänge beeinflussen. Das Plasma in der Ionosphäre kann Radiowellen bestimmter Frequenzen reflektieren, sie bei anderen streuen oder sie sogar vollständig blockieren.
Diese Eigenschaften machen die Ionosphäre für mehrere moderne Technologien, einschließlich Hochfrequenztechnologien, nützlich Funkkommunikation und Over-the-Horizon-Radar.
Aber genau wie in Bodennähe ist die Ionosphäre dem Wetter ausgesetzt. Dies wird entweder durch die Weltraumumgebung verursacht ( Weltraumwetter ) oder durch Ereignisse auf der Erde.
Raumstörungen
Wenn atmosphärische Schwerewellen, die durch einen Vulkanausbruch (oder eine andere Quelle) erzeugt werden, die Ionosphäre erreichen, können sie sogenannte „ wandernde ionosphärische Störungen '.
Hierbei handelt es sich um Kompressionswellen, die die Schwankungen der Plasmadichte in kurzer Zeit erheblich verstärken und sich über Tausende von Kilometern um den Globus ausbreiten können. Diese Effekte können die moderne Technologie stören, beispielsweise indem sie die Genauigkeit von Satelliten-Global-Positioning-Systemen (GPS) beeinträchtigen.
In der Vergangenheit wurden Vulkanausbrüche mit messbaren Veränderungen in der Ionosphäre in Verbindung gebracht, die von GPS-Empfängern am Boden erfasst wurden, beispielsweise in 2015 Und 2013 .
Um diese Störungen detaillierter als ihre Auswirkungen auf GPS zu untersuchen, verwende ich Daten einer Einrichtung namens Niederfrequenz-Array (Lofar). Lofar ist eines der größten Radioteleskope der Welt und besteht aus Dutzenden von über ganz Europa verteilten Radioantennen, die für die Beobachtung entfernter natürlicher Radioquellen im frühen Universum, wie etwa Radiogalaxien, konzipiert sind.
Das Erscheinungsbild von Radioquellen im Weltraum ähnelt bei der Betrachtung durch die Ionosphäre der Art und Weise, wie die Sicht auf Objekte durch ein Glas Wasser verzerrt werden kann, wenn wir umrühren ( oder schütteln ) es auf.
Bei sorgfältiger Analyse kann man diese Verzerrungen nutzen, um zu verstehen, was in der Ionosphäre selbst passiert. Wandernde ionosphärische Störungen können diese Verzerrungen verstärken, insbesondere bei den Radiowellenlängen, die wir mit Lofar verwenden.
Der Video oben (und hier zu sehen) , erstellt von Richard Fallows , zeigt einige Lofar-Daten vom Dezember 2013. Die hellen Lichtpunkte sind natürliche Radioquellen wie entfernte Galaxien. Die Sequenz im linken Bild stammt aus einer ruhigen Nacht und im rechten Bild ist die Ionosphäre gestört. Es ist zu erkennen, dass die Quellen ihre Position schnell ändern und ein- und ausblenden.
In den kommenden Wochen werden wir unsere Lofar-Daten ganz genau untersuchen, um zu untersuchen, ob es deutliche Muster gibt, die auf den Tonga-Ausbruch zurückzuführen sind.
Letztendlich könnte die Forschung uns helfen, besser zu verstehen, wie Vulkane auf der Erde den Weltraum und die Technologie beeinflussen.
Da die Ionosphäre die atmosphärische Schnittstelle zwischen Erde und Weltraum darstellt, kann sie sogar Aufschluss darüber geben, in welchem Ausmaß Störungen durch terrestrische und weltraumbezogene Wetterereignisse verursacht werden. 
Gareth Dorrian , Postdoktorand in Weltraumwissenschaften, Universität Birmingham .
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