Gambar aurora borealis menunjukkan emisi kontinum terstruktur (Kredit: Tim Peneliti Fakultas Sains)
CALGARY — Fenomena atmosfer membingungkan yang telah lama membuat penasaran para pengamat aurora dan ilmuwan akhirnya dapat dijelaskan oleh para peneliti di Universitas Calgary. Bercak abu-abu yang muncul di samping cahaya utara mewakili babak baru dalam pemahaman kita tentang pertunjukan cahaya atmosfer bumi.
“Anda akan melihat aurora hijau yang dinamis ini, Anda akan melihat beberapa aurora merah di latar belakang dan, tiba-tiba, Anda akan melihat ini terstruktur – hampir seperti petak – emisi berwarna abu-abu atau putih terhubung. ke aurora,” kata penulis utama Dr. Emma Spanswick, profesor di Departemen Fisika dan Astronomi, dalam sebuah pernyataan. “Jadi, tanggapan pertama ilmuwan mana pun adalah, 'Apa itu?'”
Dalam penelitian yang dipublikasikan di Komunikasi Alamtim Spanswick telah mendokumentasikan dan menganalisis struktur misterius berwarna abu-abu yang muncul di dekat aurora aktif. Meskipun para ilmuwan telah mengetahui adanya emisi kontinum latar belakang yang lemah di langit malam selama beberapa dekade, hal ini menandai studi komprehensif pertama tentang hubungannya dengan aurora dan karakteristik khasnya.
Penemuan ini dimungkinkan oleh kemajuan terkini dalam teknologi kamera yang telah merevolusi fotografi aurora ilmiah dan amatir. “Semua orang telah memperhatikan kemajuan dalam fotografi digital. Ponsel Anda sekarang bisa mengambil gambar aurora,” kata Spanswick. “Saat ini, hal tersebut telah mengalir ke pasar sensor komersial. Jenis sensor tersebut sekarang dapat ditemukan di sensor yang lebih komersial dan lebih kuat yang dapat kita gunakan dalam sains.”
Dengan menggunakan jaringan inovatif kamera warna pita lebar beresolusi tinggi yang disebut Transition Region Explorer (TREx-RGB), para peneliti mengidentifikasi 30 peristiwa terpisah di mana struktur abu-abu ini muncul di langit malam. Strukturnya bervariasi dalam ukuran dari sekitar 10 hingga beberapa ratus kilometer dan selalu ditemukan tertanam di dalam atau berdekatan dengan aurora aktif.
Untuk memahami apa yang membuat cahaya abu-abu ini berbeda dari aurora biasa, kita perlu melihat bagaimana setiap jenis cahaya dihasilkan. Cahaya aurora tradisional terjadi ketika partikel-partikel energik dari matahari bertabrakan dengan gas-gas di bagian atas atmosfer kita, menyebabkannya bersinar dalam warna-warna khas – hijau dari atom oksigen, merah dari molekul nitrogen, dan seterusnya. Ini mirip dengan cara kerja lampu neon, dengan listrik yang menarik atom gas untuk menghasilkan warna tertentu.
Namun, struktur abu-abu yang baru ditemukan tampaknya dihasilkan melalui mekanisme berbeda yang disebut kimialuminesensi – proses yang sama yang membuat kunang-kunang bersinar atau menciptakan cahaya biru halus pada gelombang laut di beberapa pantai. Tim peneliti menyimpulkan itu “pastinya merupakan sumber panas” dan menyatakan bahwa aurora borealis lebih kompleks dari yang diperkirakan sebelumnya.
Penelitian ini mengikuti minat baru terhadap emisi kontinum yang dipicu oleh penemuan STEVE (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement), sebuah fenomena atmosfer berbeda yang tampak sebagai busur berwarna ungu muda di langit. “Ada kesamaan antara apa yang kita lihat sekarang dan STEVE,” jelas Spanswick. “STEVE memanifestasikan dirinya sebagai struktur berwarna ungu muda atau abu-abu. Sejujurnya, ketinggian spektrum di antara keduanya sangat mirip tetapi karena hubungannya dengan aurora dinamis, ia hampir menyatu dengan aurora. Lebih sulit untuk membedakannya jika Anda melihatnya, sedangkan STEVE terpisah dari aurora – sebuah pita besar yang melintasi langit.”
Tim peneliti menggunakan teknik pencitraan dan spektroskopi untuk mempelajari formasi ini. Sementara kamera berwarna menangkap bentuk dan pergerakannya, instrumen khusus yang disebut spektograf pencitraan meridian menganalisis spektrum cahaya yang dipancarkannya. Dengan menganalisis cahaya dari bercak abu-abu ini menggunakan peralatan khusus, para peneliti menemukan bahwa mereka bersinar dengan kecerahan yang konsisten di semua warna cahaya, tidak seperti aurora biasa yang cenderung bersinar terang dalam warna tertentu. Kekuatan cahaya ini jauh lebih terang daripada cahaya latar belakang langit malam pada umumnya, menunjukkan bahwa ini jelas merupakan fenomena nyata dan bukan sekadar efek kamera.
Meskipun aurora biasa telah memikat para pengamat selama berabad-abad, penelitian ini menunjukkan masih banyak hal yang perlu diketahui tentang pertunjukan cahaya di langit malam kita. Bercak abu-abu yang baru didokumentasikan ini mewakili cara atmosfer kita merespons aktivitas matahari yang sangat berbeda, menambah bagian lain dari teka-teki rumit tentang bagaimana cuaca luar angkasa memengaruhi Bumi. Seiring dengan kemajuan teknologi kamera dan semakin banyak mata yang tertuju ke langit, para peneliti berharap dapat mengungkap lebih banyak rahasia tentang fenomena atmosfer misterius ini.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan jaringan kamera khusus yang disebut TREx-RGB, yang menangkap gambar langit malam dengan warna asli pada resolusi dan kecepatan tinggi (3 frame per detik). Kamera-kamera ini dipasangkan dengan spektograf yang mengukur panjang gelombang cahaya yang dipancarkan secara tepat. Tim menganalisis data dari dua stasiun di Kanada – Rabbit Lake dan Lucky Lake – dengan fokus pada saat bulan berada di bawah cakrawala untuk menghindari gangguan. Mereka mengidentifikasi 30 peristiwa di mana struktur berwarna abu-abu muncul dalam citra dan mengkonfirmasi ciri spektral uniknya menggunakan data spektograf.
Hasil
Studi tersebut menemukan bahwa struktur abu-abu ini secara konsisten muncul di dekat aurora aktif dan menghasilkan peningkatan intensitas cahaya yang seragam di semua panjang gelombang, biasanya 20-60 Rayleigh per nanometer di atas tingkat latar belakang. Strukturnya berukuran antara 10 hingga beberapa ratus kilometer dan dapat bertahan selama beberapa menit. Analisis spektral menunjukkan bahwa aurora mengandung komponen spektrum kontinu dan garis emisi terpisah yang terkait dengan aktivitas aurora, menunjukkan adanya interaksi kompleks antara berbagai proses atmosfer.
Keterbatasan Studi
Pengamatan dibatasi pada dua lokasi geografis di Kanada dan hanya mencakup peristiwa di mana data pencitraan dan spektroskopi tersedia. Studi tersebut juga mengandalkan kondisi langit cerah dan waktu ketika bulan berada di bawah cakrawala. Selain itu, mekanisme kimia yang tepat yang menghasilkan cahaya abu-abu tidak dapat ditentukan secara pasti dengan data yang tersedia, meskipun para peneliti mengusulkan interaksi oksida nitrat dan oksigen sebagai penjelasan yang mungkin.
Diskusi dan Kesimpulan
Penelitian ini mengungkap cara yang sebelumnya tidak diketahui bahwa aktivitas matahari dapat mempengaruhi atmosfer bagian atas bumi. Penemuan ini menunjukkan bahwa interaksi antara badai matahari dan atmosfer kita lebih kompleks dari yang diperkirakan sebelumnya, dengan berbagai proses terjadi secara bersamaan pada skala berbeda. Temuan ini dapat memiliki implikasi untuk memahami dampak cuaca luar angkasa terhadap atmosfer kita dan berpotensi meningkatkan perkiraan dampak badai matahari.
Dampak Tim dan Pelatihan
Penelitian ini juga memberikan peluang berharga bagi para ilmuwan muda. Mahasiswa sarjana Josh Houghton, yang awalnya dipekerjakan sebagai pekerja magang, memainkan peran penting dalam menganalisis data. “Saya masih mempelajari banyak hal pada saat itu,” katanya. “Saya baru saja mulai magang, dan saya segera terlibat. Itu sangat, sangat keren.” Kontribusi besar Houghton membuatnya mendapatkan kepenulisan pada makalah Nature sebagai mahasiswa sarjana, dan dia akan melanjutkan penelitian ini melalui tesis kehormatannya sebelum mengejar gelar master di UCalgary.
Pendanaan dan Dukungan
Penelitian ini dimungkinkan oleh Transition Region Explorer (TREx), sebuah proyek Universitas Calgary yang didanai bersama oleh Canadian Foundation for Innovation, Pemerintah Alberta, dan Badan Antariksa Kanada. Instrumen TREx RGB dan Spectrograph dioperasikan dan dipelihara oleh Space Environment Canada dengan dukungan dari Badan Antariksa Kanada melalui inisiatif Geospace Observatory (GO) Canada.
Informasi Publikasi
Penelitian bertajuk “Asosiasi emisi kontinum terstruktur dengan aurora dinamis” ini diterbitkan di Komunikasi Alam (2024, Volume 15, Nomor artikel 10802) pada 30 Desember 2024. Penelitian tersebut dilakukan oleh tim ilmuwan dari University of Calgary, NASA Goddard Space Flight Center, The Catholic University of America, Boston University, University of Alaska Fairbanks , dan Universitas Mount Royal.
