NASA vil skabe den første rumbaserede natriumlidar nogensinde til at studere dårligt forstået mesosfære

Et hold af NASA-forskere og ingeniører mener nu, at det kan udnytte de seneste fremskridt inden for et drivhus-detektionsinstrument til at bygge verdens første rumbaserede natriumlidar til at studere Jordens dårligt forståede mesosfære.

Forsker Diego Janches og lasereksperter Mike Krainak og Tony Yu, som alle arbejder på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leder en forsknings- og udviklingsindsats for yderligere at fremme natriumlidar, som gruppen planlægger at indsende på den internationale rumstation, hvis det lykkes at bevise sin flyvedygtighed.

NASA's Center Innovation Fund og Heliophysics Technology and Instrument Development for Science-programmer finansierer nu instrumentets modning. Imidlertid, konceptet sporer sin arv delvist til NASAs tidligere investeringer i lovende lidar-instrumenter, kaldet lydgivere, oprindeligt skabt til at måle kuldioxid og metan i jordens atmosfære.

Fra sin kaj på den kredsende forpost, instrumentet ville belyse det komplekse forhold mellem kemien og dynamikken i mesosfæren, der ligger 40-100 miles over Jordens overflade - det område, hvor Jordens atmosfære møder rummets vakuum.

I betragtning af de fremskridt, forskerne har gjort med de jordobserverende lydinstrumenter, kombineret med Goddards arv inden for laserteknologi, de er optimistiske med hensyn til instrumentets ultimative succes.

Den store gearing

"Det, vi gør, er at udnytte det, vi har lært med CO2- og metan-sounders, " sagde Krainak. Begge instrumenter har demonstreret i flere flykampagner, at de nøjagtigt måler drivhusgasser ved hjælp af lidar.

Lidar involverer pulsering af et laserlys fra Jordens overflade. Som alle atmosfæriske gasser, kuldioxid og metan absorberer lyset i smalle bølgelængdebånd. Ved at indstille laseren på tværs af disse absorptionslinjer, videnskabsmænd kan opdage og derefter analysere niveauet af gasser i den lodrette vej. Jo mere gas langs lysets vej, jo dybere er absorptionslinjerne.

"Det samme princip gælder her, "Sagde Janches." I stedet for kuldioxid og metan, vi opdager natrium på grund af, hvad det kan fortælle os om den lille skala dynamik, der forekommer i mesosfæren."

Natrium - det sjette mest udbredte grundstof i jordskorpen - er et nyttigt sporstof til at karakterisere mesosfæren. Selvom dette atmosfæriske lag indeholder andre granuler af metaller, inklusive jern, magnesium, kalk, og kalium – alt sammen produceret ved fordampning af udenjordisk støv, når det støder på Jordens atmosfære – natrium er nemmest at opdage. Bogstaveligt talt, der findes et lag af natrium i mesosfæren.

På grund af dens relative overflod, natrium giver data i højere opløsning, der kan afsløre mere information om den lille dynamik, der forekommer i den øvre atmosfære. Fra dette, forskere kan lære mere om, hvordan vejret i den lavere atmosfære påvirker grænsen mellem atmosfæren og rummet.

Gruppen er begyndt at udvikle sit instrument, som er elektronisk indstillet til 589-nanometerområdet, eller gult lys. I kredsløb, lidaren ville hurtigt pulsere lyset ved det mesosfæriske lag, ned en til tre kilometer over et skår, der måler fire til otte kilometer i bredden.

Lysets interaktion med natriumpartikler ville få dem til at lyse eller genlyde. Ved at detektere gløden tilbage, lidar's indbyggede spektrometer ville analysere lyset for at bestemme, hvor meget natrium der var i mesosfæren, dens temperatur, og den hastighed, hvormed partiklerne bevægede sig.

Forskere har brugt natriumlidarer i jordbaserede målinger i mindst fire årtier, men de har aldrig indsamlet mål fra rummet. Som resultat, dataene er begrænset i tid og rum og giver ikke et globalt billede af dynamikken. Med en specialdesignet rumbåren natriumlidar, imidlertid, forskere ville være i stand til at belyse bestemte områder, afslører den lille skala dynamik, der i øjeblikket er den største ukendte, Sagde Janches.

Holdet vil bruge NASA's finansiering til at finjustere teknologien, der låser lidaren på natriumlinjerne. "Det er som en guitarstreng, Krainak forklarede. "Hvis du vil have en bestemt tone, du skal låse strengen i en bestemt længde. Det er det samme med laserhulrummets længde."

Holdet planlægger også at demonstrere en miljøtestet ingeniørtestenhed af laseren, og derved forbedre sit teknologiberedskab til seks, hvilket betyder, at teknologien er klar til flyudvikling.

"Vi har gjort betydelige fremskridt med laseren, " sagde Krainak. "Hvis vi vinder, vi kunne være det første rumbaserede natriumlaserspektrometer til fjernmåling."