Étiquette : ionosphere

L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai a perturbé l’ionosphère // The Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption disturbed the ionosphere

L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, le volcan sous-marin des Tonga, en janvier 2022, est exceptionnelle et représente un trésor pour les scientifiques qui ne cessent de faire de nouvelles découvertes.Ils ont déjà publié une analyse qui montre que cette éruption a généré le plus haut panache volcanique de tous les temps (57 km), avec pénétration de la stratopause, la limite supérieure de la stratosphère.
Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a découvert que l’éruption a perturbé les signaux satellites à grande échelle. Les scientifiques ont utilisé des observations ionosphériques satellitaires et terrestres pour montrer qu’une onde de pression atmosphérique déclenchée par une éruption volcanique est capable de produire une bulle de plasma équatoriale (EPB) dans l’ionosphère, avec de fortes perturbations causées aux communications par satellite. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Scientific Reports.
L’ionosphère s’étend d’une altitude d’environ 80 à 1 000 km. C’est la région de la haute atmosphère terrestre où les molécules et les atomes sont ionisés par le rayonnement solaire, ce qui donne naissance à des ions chargés positivement. La zone avec la plus forte concentration de particules ionisées, la région F – 150 à 800 km de la surface de la Terre – joue un rôle crucial dans les communications radio longue distance car elle réfléchit et réfracte les ondes radio utilisées par les systèmes de suivi par satellite et GPS vers la surface de la Terre. Cependant, des trous peuvent se former dans cette région F, créant une structure en forme de bulle appelée EPB (Equatorial Plasma Bubble) qui peut retarder les ondes radio. et dégrader les performances du GPS.
L’équipe de chercheurs, qui comprenait principalement des scientifiques japonais collaborant avec diverses institutions, a utilisé le satellite Arase pour détecter les survenues d’EPB, le satellite Himawari-8 pour vérifier l’arrivée initiale des ondes de pression atmosphérique, et des observations ionosphériques au sol pour suivre les mouvements de l’ionosphère.
Ces scientifiques ont observé une structure irrégulière de la densité électronique au niveau de l’équateur après l’arrivée des ondes de pression générées par l’éruption volcanique. Ils ont également fait une découverte surprenante. Pour la première fois, ils ont montré que les fluctuations ionosphériques commencent quelques minutes à quelques heures plus tôt que les ondes de pression atmosphérique impliquées dans la génération des bulles de plasma. Cela signifie que le modèle du couplage géosphère-atmosphère-cosmosphère qui existait jusqu’à présent et qui stipulait que les perturbations ionosphériques ne se produisent qu’après l’éruption, doit être révisé.
De plus, les chercheurs ont constaté que l’EPB s’étend beaucoup plus loin que prévu par les modèles classiques. Cette découverte montre qu’il y a intérêt à prêter attention au lien entre l’ionosphère et la cosmosphère lorsque des phénomènes naturels extrêmes, tels que l’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, se produisent.
Les résultats de ces recherches présentent un intérêt du point de vue scientifique, mais aussi du point de vue de la météo spatiale et de la prévention des catastrophes.
Source : The Watchers, un excellent site qui publie des articles et des informations en relation avec la science et l’environnement.

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The eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, the underwater volcano in Tonga, in January 2022 was exceptional and a treasure for scientsists who keep making new discoveries. For instance, they have already an analysis that showed this eruption created the highest volcanic cloud ever recorded. For the first time, a volcanic plume has been seen to penetrate the stratopause, the upper limit of the stratosphere.

This time, an international team found that the eruption disrupted satellite signals. The researchers used both satellite and ground-based ionospheric observations to show that an air pressure wave triggered by the volcanic eruptions could produce an equatorial plasma bubble (EPB) in the ionosphere, severely disrupting satellite-based communications. The findings were published in the journal Scientific Reports.

The ionosphere is the region of the Earth’s upper atmosphere where molecules and atoms are ionized by solar radiation, creating positively charged ions. The area with the highest concentration of ionized particles, the F-region, plays a crucial role in long-distance radio communication, reflecting and refracting radio waves used by satellite and GPS tracking systems back to the Earth’s surface. However, irregularities in the F-region, such as the movement of plasma, electric fields, and neutral winds, can cause the formation of a localized irregularity of enhanced plasma density, creating a bubble-like structure called an EPB that can delay radio waves and degrade the performance of GPS.

The team, that mainly included Japanese scientists in collaboration with various institutions, used the Arase satellite to detect EPB occurrences, the Himawari-8 satellite to check the initial arrival of air pressure waves, and ground-based ionospheric observations to track the motion of the ionosphere.

They observed an irregular structure of the electron density across the equator that occurred after the arrival of pressure waves generated by the volcanic eruption.

The group also made a surprising discovery. For the first time, they showed that ionospheric fluctuations start a few minutes to a few hours earlier than the atmospheric pressure waves involved in the generation of plasma bubbles. This suggests that the long-held model of geosphere-atmosphere-cosmosphere coupling, which states that ionospheric disturbances only happen after the eruption, needs revision.

Furthermore, the researchers found that the EPB extended much further than predicted by the standard models. This discovery suggests that we should pay attention to the connection between the ionosphere and the cosmosphere when extreme natural phenomena, such as the Tonga event, occur.

The results of this research are significant not only from a scientific point of view but also from the point of view of space weather and disaster prevention.

Source : The Watchers, an excellent website that releases articles and information linked to science and the environment.

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, l’éruption de tous les superlatifs (Source: NASA)

Autre conséquence de l’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai // Another consequence of the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption

Lorsque le volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (archipel des Tonga) est entré en éruption le 15 janvier 2022, il a envoyé des ondes de choc dans l’atmosphère ainsi que des vagues de tsunami à travers notre planète. Aujourd’hui, une nouvelle étude publiée dans les Geophysical Research Letters montre que les effets de l’éruption ont également atteint l’espace, avec un événement météorologique spatial majeur.
En analysant les données fournies par la mission Ionospheric Connection Explorer (ICON) de la NASA et des satellites Swarm de l’ESA, les scientifiques ont découvert que, dans les heures qui ont suivi l’éruption, des vents atteignant la vitesse d’un ouragan et des courants électriques inhabituels se sont formés dans l’ionosphère. Le rôle de la mission d’ICON est d’identifier comment la météo sur Terre interagit avec celle de l’espace, une idée relativement nouvelle qui annule les hypothèses précédentes selon lesquelles seules les forces du Soleil et de l’espace pouvaient influencer la météo en bordure de l’ionosphère.
L’éruption du Hunga Tonga a généré l’une des plus grandes perturbations spatiales jamais observées au cours de l’ère moderne. Elle permet aux scientifiques d’analyser le lien encore mal compris entre la basse atmosphère et l’espace. L’événement permet également d’étudier comment les événements sur Terre peuvent affecter la météo dans l’espace, à côté de l’influence de la météo spatiale sur la météo terrestre.
Lorsque le volcan est entré en éruption, il a envoyé un énorme panache de gaz, de vapeur d’eau et de poussière dans le ciel. L’explosion a également créé d’importantes perturbations de pression dans l’atmosphère, ce qui a provoqué des vents violents. Au fur et à mesure que ces vents se sont dirigés vers les couches atmosphériques plus minces, ils ont commencé à s’accélérer. Lorsqu’ils ont atteint l’ionosphère et les confins de l’espace, ICON a enregistré des vitesses de vent allant jusqu’à 725 km/h, ce qui en fait les vents les plus violents – en dessous de 195 km d’altitude – jamais mesurés par la mission depuis son lancement en 2019.
Dans l’ionosphère, ces vents très puissants ont également affecté les courants électriques. Les particules ionosphériques génèrent régulièrement un courant électrique qui se dirige vers l’est – l’électrojet équatorial – alimenté par les vents de la basse atmosphère. Après l’éruption, l’électrojet équatorial a atteint cinq fois sa puissance de crête normale et a radicalement changé de direction; il s’est dirigé vers l’ouest pendant une courte période. C’est quelque chose qui n’avait été observé auparavant que pendant de fortes tempêtes géomagnétiques.
On estime maintenant que l’indice d’explosivité volcanique (VEI) de l’éruption du Hunga Tonga a atteint 6 sur une échelle de 8 niveaux, ce qui la place parmi les plus grandes éruptions volcaniques jamais enregistrées avec des instruments géophysiques modernes.
Source, NASA, ESA, Geophysical Researcher Letters, The Watchers.

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When the Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai volcano (Tonga archipelag) erupted on January 15th, 2022, it sent atmospheric shock waves and tsunami waves around the world. Now, a new research published in Geophysical Research Letters shows the effects of the eruption also reached space, causing a major space weather event.

Analyzing data from NASA’s Ionospheric Connection Explorer (ICON) mission and ESA’s Swarm satellites, scientists found that in the hours after the eruption, hurricane-speed winds and unusual electric currents formed in the ionosphere. In particular, ICON’s mission is to identify how Earth’s weather interacts with weather from space, a relatively new idea supplanting previous assumptions that only forces from the Sun and space could create weather at the edge of the ionosphere.

The Hunga Tongo eruption created one of the largest disturbances in space ever seen in the modern era. It is allowing scientists to test the poorly understood connection between the lower atmosphere and space. It also allows them to look at how events on Earth can affect weather in space, in addition to space weather affecting Earth.

When the volcano erupted, it sent a giant plume of gases, water vapour, and dust into the sky. The explosion also created large pressure disturbances in the atmosphere, leading to strong winds.

As the winds expanded upwards into thinner atmospheric layers, they began moving faster. Upon reaching the ionosphere and the edge of space, ICON clocked the windspeeds at up to 725 km/h, making them the strongest winds below 195 km altitude measured by the mission since its launch in 2019.

In the ionosphere, extreme winds also affected electric currents. Particles in the ionosphere regularly form an east-flowing electric current – the equatorial electrojet – powered by winds in the lower atmosphere. After the eruption, the equatorial electrojet surged to five times its normal peak power and dramatically flipped direction, flowing westward for a short period. This is something that was only previously seen with strong geomagnetic storms.

It is now estimated the Hunga Tonga’s volcanic explosivity index (VEI) reached 6 on a scale of 8 levels, placing it among the largest volcanic eruptions ever recorded with modern geophysical instrumentation.

Source, NASA, ESA, Geophysical Researcher Letters, The Watchers.

Source: Tonga Services

Source: NASA

Eruption aux Tonga et les perturbations ionosphériques // Tonga eruption and ionospheric disturbances

Plusieurs études ont confirmé récemment que l’éruption du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai aux Tonga le 15 janvier 2022 a provoqué des perturbations à grande échelle dans l’atmosphère terrestre.
En utilisant les données enregistrées par plus de 5 000 récepteurs GNSS – Global Navigation Satellite System – situés à travers le monde, les scientifiques de l’Observatoire Haystack du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et leurs collègues de l’Université arctique de Norvège ont observé des preuves d’ondes atmosphériques générées par les éruptions et de leurs empreintes ionosphériques à 300 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, et cela pendant une longue période. Ces ondes atmosphériques ont été actives pendant au moins quatre jours après l’éruption et ont fait trois fois le tour du globe. Les perturbations ionosphériques sont passées au-dessus des États-Unis six fois, d’abord d’ouest en est, puis en sens inverse.
Cette éruption a été extraordinairement puissante et a libéré une énergie équivalente à 1 000 bombes atomiques de Hiroshima. Les scientifiques savent que les éruptions volcaniques te type explosif et les séismes peuvent déclencher une série d’ondes influant sur la pression atmosphérique, y compris des ondes acoustiques, qui peuvent perturber la haute atmosphère à plusieurs centaines de kilomètres au-dessus de l’épicentre. Au-dessus de l’océan, ces ondes peuvent déclencher des vagues de tsunami, et donc des perturbations dans la haute atmosphère. L’impact de l’éruption aux Tonga a surpris les scientifiques, notamment par son étendue géographique et sa durée de plusieurs jours. L’étude de ces ondes a permis de nouvelles découvertes quant à la façon dont les ondes atmosphériques et l’ionosphère sont connectées.
Une nouvelle étude, menée par des chercheurs du MIT Haystack Observatory et de l’Arctic University of Norway, a été publiée le 23 mars 2022 dans la revue Frontiers in Astronomy and Space Sciences. Les auteurs pensent que les perturbations atmosphériques sont un effet des ondes de Lamb ; ces ondes, ainsi appelées d’après le mathématicien Horace Lamb, se déplacent à la vitesse du son sans grande réduction de leur amplitude. Bien qu’elles soient principalement situées près de la surface de la Terre, ces ondes peuvent échanger de l’énergie avec l’ionosphère de manière complexe. La nouvelle étude précise que « la présence dominante des ondes de Lamb a déjà été signalée lors de l’éruption du Krakatau en 1883 et à d’autres occasions. L’étude fournit pour la première fois une preuve substantielle de leurs empreintes de longue durée dans l’ionosphère à l’échelle de la planète. »
Grâce au financement de la National Science Foundation, le Haystack Observatory concentre les observations du réseau GNSS mondial pour étudier quotidiennement des informations importantes depuis 2000. Une forme particulière de météo spatiale, causée par des ondes ionosphériques appelées perturbations ionosphériques itinérantes – Traveling Ionospheric Disturbances (TID) – est souvent favorisée par des processus comprenant des apports soudains d’énergie du soleil, des conditions météorologiques terrestres et des perturbations d’origine humaine.
Selon l’étude, seules les tempêtes solaires intenses sont connues pour produire une propagation de TID dans l’espace pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours. Les éruptions volcaniques et les séismes ne produisent normalement des perturbations ionosphériques que sur des milliers de kilomètres. En détectant ces importantes perturbations ionosphériques induites dans l’espace par les éruptions sur de très longues distances, les chercheurs ont découvert non seulement la génération d’ondes de Lamb et leur propagation globale sur plusieurs jours, mais aussi un nouveau processus physique fondamental.
Source:Massachusetts Institue of Technology (MIT).

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The recent eruption of Tonga’s Hunga Tonga–Hunga Ha‘apai volcano on January 15th, 2022 was recently confirmed to have causeded large-scale disturbances in the Earth’s atmosphere.

Using data recorded by more than 5,000 Global Navigation Satellite System (GNSS) ground receivers located around the globe, MIT Haystack Observatory scientists and their international partners from the Arctic University of Norway have observed substantial evidence of eruption-generated atmospheric waves and their ionospheric imprints 300 kilometers above the Earth’s surface over an extended period. These atmospheric waves were active for at least four days after the eruption and circled the globe three times. Ionospheric disturbances passed over the United States six times, at first from west to east and later in reverse.

This volcanic event was extraordinarily powerful, releasing energy equivalent to 1,000 Hiroshima atomic bombs. Scientists have known that explosive volcanic eruptions and earthquakes can trigger a series of atmospheric pressure waves, including acoustic waves, that can perturb the upper atmosphere a few hundred kilometers above the epicenter. When over the ocean, they can trigger tsunami waves, and therefore upper-atmospheric disturbances. Results from this Tonga eruption have surprised this international team, particularly in their geographic extent and multiple-day durations. These discoveries ultimately suggest new ways in which the atmospheric waves and the global ionosphere are connected.

A new study, led by researchers at MIT Haystack Observatory and the Arctic University of Norway, was published on March 23rd, 2022 in the journal Frontiers in Astronomy and Space Sciences. The authors believe the disturbances to be an effect of Lamb waves; these waves, named after mathematician Horace Lamb, travel at the speed of sound without much reduction in amplitude. Although they are located predominantly near Earth’s surface, these waves can exchange energy with the ionosphere through complex pathways. As stated in the new study, “prevailing Lamb waves have been reported before as atmospheric responses to the Krakatoa eruption in 1883 and other occasionss. This study provides substantial first evidence of their long-duration imprints up in the global ionosphere.”

Under National Science Foundation support, Haystack has been assembling global GNSS network observations ton a daily basis since 2000. A particular form of space weather, caused by ionospheric waves called traveling ionospheric disturbances (TIDs), are often excited by processes including sudden energy inputs from the sun, terrestrial weather, and human-made disturbances.

According to the study, only severe solar storms are known to produce TID global propagation in space for several hours, if not for days. Volcanic eruptions and earthquakes normally yield ionospheric disturbances only within thousands of kilometers. By detecting these significant eruption-induced ionospheric disturbances in space over very large distances, the researchers found not only generation of Lamb waves and their global propagation over several days, but also a fundamental new physical process.

Source: Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Perturbations ionosphériques itinérantes (TID) après l’éruption des Tonga, mesurées à partir des réseaux GNSS de récepteurs. L’axe horizontal indique le temps ; l’axe vertical indique la distance. Les TID se propagent à la fois vers le nord et vers le sud à partir des Tonga. L’antipode de l’éruption se situe en Afrique du Nord, à environ 21 000 km des Tonga. Les TID ont mis 17 à 18 heures pour atteindre l’antipode et le même temps pour revenir aux Tonga le lendemain. (Source: Hayward Observatory).

Traveling ionospheric disturbances (TID) following the Tonga eruption, as measured from the GNSS networks of receivers. The horizontal axis shows time; the vertical axis shows distance. TIDs are propagating both northward and southward from Tonga. The eruption antipode is in North Africa, approximately 21,000 km away from Tonga. TIDs took 17-18 hours to reach the antipode and the same time to return to Tonga on the next day. (Source: Hayward Observatory).

Le mystère des aurores boréales // The mystery of northern lights

Cette note n’a pas pour sujet les volcans ou les glaciers mais les aurores boréales – aurora borealis – un phénomène qui fascine ceux qui visitent l’Arctique ou l’Antarctique où l’on peut observer les glaciers et les calottes glaciaires.

On peut lire sur l’excellent site Web The Watchers qu’une nouvelle étude conduite par des scientifiques de l’Institut de recherche environnementale Espace-Terre de l’Université de Nagoya (Japon) a révélé un mécanisme inconnu de la magnétosphère dans lequel les électrons en provenance du Soleil sont propulsés par une énergie électrique plus puissante qu’on ne le pensait jusqu’à présent.

La formation des aurores boréales et australes commence lorsque du plasma est propulsé à très grande vitesse dans l’espace par le Soleil sous forme de particules chargées. Lorsque ces particules se rapprochent de la Terre, elles sont déviées et canalisées, et vont circuler le long des lignes de champ magnétique pour finalement se diriger vers les pôles. La plupart des électrons de la magnétosphère n’atteignent pas l’ionosphère (haute atmosphère) car ils sont repoussés par le champ magnétique terrestre.

Certaines particules accélèrent leur course dans la haute atmosphère terrestre où elles entrent en collision avec des atomes d’oxygène et d’azote qu’elles excitent à une altitude d’environ 100 km. Lorsque les atomes se défont de leur état d’excitation, ils produisent des aurores boréales.

Cependant, de nombreux détails sur ce processus sont encore mystérieux. Par exemple, on ne connaît pas avec précision la manière dont est généré le champ électrique qui accélère les électrons dans l’ionosphère, ni même sa hauteur au-dessus de la Terre. Les scientifiques pensaient jusqu’à présent que l’accélération se produisait à des altitudes comprises entre 1 000 et 20 000 km au-dessus de la Terre. La nouvelle étude montre que la zone d’accélération s’étend au-delà de 30 000 km. Elle montre aussi que le champ électrique qui accélère les particules aurorales peut exister à n’importe quelle hauteur le long d’une ligne de champ magnétique et n’est pas limité à la région de transition entre l’ionosphère et la magnétosphère à plusieurs milliers de kilomètres. Cela laisse supposer que des mécanismes magnétosphériques inconnus entrent en jeu.

L’équipe scientifique a étudié aux États-Unis et au Canada les données d’imageurs fournies par le détecteur d’électrons du satellite japonais Arase. Les données ont été collectées à partir de septembre 2017, au moment où Arase se trouvait à une altitude d’environ 30000 km et dans un mince arc auroral actif pendant quelques minutes.

Les chercheurs ont pu mesurer les mouvements ascendants et descendants des électrons et des photons, ce qui a révélé que la zone d’accélération des électrons commençait au-dessus du satellite et s’étendait en dessous.

Afin d’approfondir l’étude de la zone d’accélération à haute altitude, le prochain objectif de l’équipe scientifique sera d’analyser les données fournies par plusieurs événements d’aurores boréales, de comparer les observations de haute et de basse altitude et de réaliser des simulations numériques du potentiel électrique.

Les chercheurs expliquent que si l’on comprend comment se forme ce champ électrique, on comblera les lacunes dans la compréhension de la formation des aurores et dans le transport d’électrons sur Terre et d’autres planètes comme Jupiter et Saturne.

Référence :  « Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

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This post is not about volcanoes or glaciers but about Northern Lights – aurora borealis – a phenomenon that fascinates those who visit the Arctic or the Antarctic where glaciers and ice sheets can be observed.

We can read on the excellent website The Watchers that new research by scientists at Nagoya University’s Institute for Space-Earth Environmental Research has revealed an unknown mechanism of the magnetosphere in which electrons from the Sun are propelled by electrical energy higher than previously thought, ultimately creating displays of northern and southern lights.

The formation of auroras starts with supersonic plasma propelled from the Sun as high-speed, charged particles into space. When these particles get near Earth, they are deflected and funneled in streams along the magnetic field lines, flowing towards the poles eventually.

Most electrons in the magnetosphere don’t reach the ionosphere (upper atmosphere) because they are repelled by the Earth’s magnetic field.

Some particles are accelerated into the Earth’s upper atmosphere, where they collide with and excite oxygen and nitrogen atoms at an altitude of roughly 100 km. When the atoms relax from their state of excitation, they emit the auroras. However, many details about this process are still unknown. For instance, we don’t know all the details of how the electric field that accelerates electrons into the ionosphere is generated or even how high above Earth it is.

Scientists previously believed that acceleration happened at altitudes between 1 000 and 20 000 km above the Earth. The new research reveals that the acceleration region spreads beyond 30 000 km. It shows that the electric field that accelerates auroral particles can exist at any height along a magnetic field line and is not limited to the transition region between the ionosphere and magnetosphere at several thousand kilometres. This suggests that unknown magnetospheric mechanisms are at play.

The scientific team studied data from ground-based imagers in the U.S. and Canada from the electron detector on the Japanese satellite, Arase. The data was taken from September 2017, when Arase was at an altitude of about 30 000 km and located within a thin active auroral arc for a few minutes.

The researchers were able to measure the upward and downward movements of electrons and photons, eventually finding the acceleration region of electrons began above the satellite and extended below.

To further investigate the high-altitude acceleration region, the team’s next goal is to analyze data from multiple aurora events, compare observations of high and low altitudes, and conduct numerical simulations of electric potential.

The researchers explain that understanding how this electric field forms will fill in gaps for understanding aurora emission and electron transport on Earth and other planets, including Jupiter and Saturn.

Reference

« Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

Photo : C. Grandpey