ICON satellit udforsker grænsen mellem Jorden og rummet

Den 8. december 2017, NASA lancerer Ionospheric Connection Explorer, eller ICON, en satellit i lavt kredsløb om Jorden, der vil give os nye oplysninger om, hvordan Jordens atmosfære interagerer med jordens nærområde – en giv-og-tag, der spiller en stor rolle for sikkerheden af ​​vores satellitter og pålideligheden af ​​kommunikationssignaler.

Specifikt, ICON undersøger forbindelserne mellem den neutrale atmosfære - som strækker sig herfra nær overfladen til langt over os, på kanten af ​​rummet - og den elektrisk ladede del af atmosfæren, kaldet ionosfæren. Partiklerne i ionosfæren bærer elektrisk ladning, der kan forstyrre kommunikationssignaler, forårsage at satellitter i lav kredsløb om Jorden bliver elektrisk ladede, og, i ekstreme tilfælde, forårsage strømafbrydelser på jorden. Placeret på kanten af ​​rummet og blandet med den neutrale atmosfære, ionosfærens reaktion på forhold på Jorden og i rummet er svær at fastlægge.

"Forholdene i vores rummiljø - rumvejr - er noget, vi skal være i stand til at forudsige, sagde Thomas Immel, hovedefterforsker for ICON-missionen fra University of California, Berkeley."Det er svært at forudsige forholdene i ionosfæren i morgen baseret på, hvad vi måler i dag."

Jordens grænseflade til rummet

Når man går højere og højere over Jordens overflade, atmosfæren bliver gradvist tyndere. Virkningerne af disse ændringer kan mærkes blot et par kilometer over havets overflade - f.eks. klatrere på nogle af verdens højeste bjerge må ofte bruge iltbeholdere til at trække vejret. Men endnu højere, omkring 60 miles over jordens overflade, atmosfæren bliver så tynd, at fly ikke kan flyve. Det er her rummet begynder.

Selv ud over denne grænse af rummet, Jordens atmosfære fortsætter med at strække sig opad - den bliver bare tyndere og mere spinkel, jo højere du kommer. Denne region er over Jordens ozonlag, så det er udsat for den fulde belastning af solens stråling. Den stærke ultraviolette stråling nedbrydes stabilt, neutrale molekyler, ændre dem fra noget, der ligner den luft, vi indånder, til mere reaktive former for gas, som atomær oxygen. Disse reaktive forbindelser i den neutrale øvre atmosfære frembringer en svag, global glød, kaldet luftglød.

Men sollyset stopper ikke der. Det bliver ved med at bryde disse atmosfæriske molekyler fra hinanden, slå elektroner af, som efterlader et hav af ladede elektroner og ioner. Denne population af elektrisk ladede partikler er ionosfæren, og den eksisterer i samme rum som den ekstremt tynde neutrale øvre atmosfære.

Dette gør vores grænseflade til rummet til en unik region, hvor ladede og neutrale gasser eksisterer side om side. Det er formet både af vejrmønstre og vinde fra Jorden under, og skiftende elektriske og magnetiske felter og rumvejr fra oven.

"ICON sigter mod at forstå, hvordan Jordens vejr ændrer rumvejr, " sagde Doug Rowland, missionsforsker for ICON ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi ser på, hvordan vejret vi lever i - regn, varme, sne, tordenvejr, orkaner - påvirker rummiljøet over os."

Rumvejr udløses ofte af ændringer på Solen, som frigiver en konstant udstrømning af magnetiseret materiale kaldet solvinden sammen med mindre hyppige, men mere intense udbrud af solmateriale, kaldet koronale masseudstødninger. De magnetiske felter indlejret i dette solmateriale kan deformere Jordens naturlige magnetfelt, skabe skiftende elektriske og magnetiske felter i nær-jordens rum. Den elektrisk ladede gas i ionosfæren, kaldet plasma, reagerer unikt på disse skiftende elektriske og magnetiske felter.

Mange satellitter i lavt kredsløb om jorden, inklusive den internationale rumstation, flyve gennem ionosfæren. Det fungerer også som en kanal for mange af vores kommunikationssignaler, såsom radiobølger og de signaler, der får GPS-systemer til at fungere. Uforudsete ændringer i ionosfæren, som krusninger og bobler af tæt plasma, kan have betydelige konsekvenser for vores teknologi og kommunikation.

"Kortbølgede radiobølger preller af ionosfæren, og signaler fra GPS-satellitter skal passere igennem, " sagde Immel. "Ændringerne i tæthed påvirker direkte kommunikation og navigation."

At forstå detaljerne om, hvad der påvirker ionosfæren og forårsager signalforstyrrelser, har historisk set været svært, dels på grund af rækken af ​​faktorer, der kan ændre ionosfæren. I årtier, videnskabsmænd troede, at ionosfæren kun reagerede på de skiftende forhold i rummet. Nye data gennem de seneste årtier, imidlertid, har bevist, at antagelsen er forkert, og afslørede, at der stadig er meget at lære om de kræfter, der former ionosfæren.

"Hvad vi opdagede, ved hjælp af data fra en NASA-mission kaldet IMAGE, var, at denne region af den øvre atmosfære og ionosfæren faktisk reagerede på virkninger relateret til vejrsystemer nær Jordens overflade, " sagde Scott England, ICON-projektforsker baseret på Virginia Tech i Blacksburg. BILLEDE, forkortelse for Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, studerede Jordens magnetosfære fra 2000 til 2005. "Dette var virkelig uventet på det tidspunkt, for at se en sammenhæng. Hvor de ladede partikler var, hvor mange var der, hvor tæt gassen var - de reagerede på vejrmønstre nær Jordens overflade."

Lommer med højt eller lavt tryk produceres nær Jordens overflade af orkaner, tordenvejr, eller endda fænomener så simple som en jævn vind over en bjergkæde. Disse trykforskelle kan forplante sig til de allerhøjeste dele af den øvre atmosfære og påvirke vindene i denne region. Den nøjagtige rolle, som disse vinder – og i forlængelse heraf, terrestrisk vejr - leg med at forme ionosfæren er et udestående spørgsmål, og en, som forskerne håber, at ICON vil svare på.

"Vi tror, ​​at vinden vil være direkte relateret til det elektriske felt målt ved rumfartøjet, men vi ved det ikke, sagde Immel. Ingen har nogensinde foretaget denne måling, så ingen ved, hvad vi kommer til at se."

Øjne på ionosfæren

ICON udforsker disse forbindelser mellem den neutrale atmosfære og den elektrisk ladede ionosfære med fire instrumenter. Tre af disse fire instrumenter er afhængige af et af den øvre atmosfæres mere spektakulære fænomener:luftglød.

Airglow skabes ved en lignende proces, der skaber nordlyset:gas exciteres og udsender lys. Selvom nordlys typisk er begrænset til ekstreme nordlige og sydlige breddegrader, luftglød sker konstant over hele kloden, og den er meget svagere. Men det er stadig lyst nok til, at ICONs instrumenter kan opbygge et billede af tætheden, ionosfærens sammensætning og struktur.

Et af disse instrumenter til måling af luftglød er MIGHTI, forkortelse for Michelson Interferometer for Global High-Resolution Thermospheric Imaging. Designet og bygget af Naval Research Lab i Washington, D.C., MIGHTI måler Doppler-forskydningen af ​​de glødende gasser i den øvre atmosfære og ionosfæren.

"Dopplerskiftet er den samme proces, som du kan høre, når du hører en sirene på en ambulance:Den har en anden tonehøjde, når ambulancen kommer mod, i stedet for at bevæge sig væk fra dig, sagde England. Det samme sker med lyset fra luftgløden.

Når gasproducerende luftglød bevæger sig mod eller væk fra ICON, presset af vinden, bølgelængderne strækkes eller komprimeres. Fordi forskere ved, hvilke kemiske arter der producerer luftglød i den øvre atmosfære, de ved meget specifikt, hvilken bølgelængde – eller farve – det lys skal være. Det Doppler-skiftede lys har en altid så lidt anderledes nuance, som MIGHTI kan registrere, og derfra, forskere kan udlede hastigheden og retningen af ​​vindene i denne region.

Instrumenter, der ligner MIGHTI, har fløjet på rummissioner før, men med en væsentlig forskel. Tidligere rumbaserede interferometre ville bruge bevægelige dele til at ændre afstanden mellem forskellige reflektorer og detektorer for at måle hver bølgelængde af lys. Men MIGHTI bruger et værktøj kaldet et diffraktionsgitter - svarende til et spejl med linjer ætset i det, der reflekterer lys på en bestemt måde - til at adskille lyset, det ser, i dets komponentbølgelængder samtidigt. Dette betyder, at MIGHTI kan måle flere bølgelængder på én gang, gør instrumentet mere følsomt.

"MÅ jeg kan måle ændringer i vindhastigheden på omkring 10 miles i timen, " sagde England. "Hvis du oversætter det til den faktiske ændring i bølgelængden, det er en ændring på omkring 1 ud af 100 mio.

Endnu et luftglødeinstrument, Far Ultraviolet instrumentet, bruger en avanceret de-sløringsteknik kaldet tidsforsinkelsesintegration til at sende mere information tilbage til videnskabsmænd inden for rumfartøjets databåndbreddebegrænsninger.

"Vi har båndbredden til at sende et snapshot ned hvert 12. sekund, men rumfartøjet bevæger sig omkring hundrede kilometer på den tid, og de strukturer, vi vil se på, er kun et par kilometer brede, " sagde Rowland. "Du ville smøre alle disse små strukturer."

Hvad Far Ultraviolet-instrumentet gør i stedet, sagde Rowland, er at tage otte snapshots i sekundet - næsten hundrede gange så meget data, som ICON kan sende ned - og kombinere dem, med hver enkelt forskudt passende for at tage højde for vridning og rumfartøjets geometri. Denne behandling, hvilket alt sammen sker på ICONs indbyggede computer, skaber et enkelt billede, der kan sendes tilbage til Jorden inden for den tildelte båndbredde. Dette kombinerer fordelene ved en lang eksponering ved at komprimere dataene, mens de stadig bevarer det skarpe fokus, der giver forskerne et detaljeret kig på de strukturer, de er interesserede i. Bølgelængderne målt af FUV produceres af visse typer ilt- og nitrogenmolekyler på Jordens dagside, samt iltioner på Jordens natside.

ICONs tredje luftglødeinstrument, EUV – en forkortelse for Extreme Ultraviolet instrument – ​​måler kortere bølgelængder af lys end FUV. Luftglød målt ved EUV produceres af oxygenioner på Jordens dagside, som udgør broderparten af ​​Jordens ionosfære i dagtimerne. EUV's data vil afsløre detaljer om strukturen af ​​ionosfæren i løbet af dagen - som hvor langt den strækker sig, og hvor der dannes lommer med tættere plasma - det kan ændre ionosfærens interaktion med kommunikationssignaler og satellitter.

Mens ICONs tre airglow-instrumenter måler temperaturen, hastighed og sammensætning af gasser miles væk fra rumfartøjet, et par identiske in situ instrumenter karakteriserer den ladede gas omkring rumfartøjet. De to ionhastighedsmålere, eller IVM'er, foretage meget præcise målinger af den vinkel, hvor ioniseret gas kommer ind i instrumentet, hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvordan denne ioniserede gas omkring rumfartøjet bevæger sig.

I fortiden, videnskabsmænd kan have været nødt til at kombinere instrumenter fra forskellige rumfartøjer - nogle gange endda fra forskellige år - for at forsøge at skabe forbindelser mellem den lavere atmosfære, neutral øvre atmosfære og ionosfære. Men et af ICONs vigtigste fremskridt er kombinationen af ​​data fra dets fire instrumenter på samme sted og tidspunkt

"Det unikke er pakken af ​​instrumenter, " sagde Ellen Taylor, ICON projektsystemingeniør ved UC Berkeley. "ICON har flere instrumenter, der har været fløjet før, men de er sat sammen til en nyttelastpakke for at lave unikke målinger."

ICONs kredsløb er også designet til at skabe nogle få punkter under hver bane, hvor fjernmålingsinstrumenterne ser lige ned ad Jordens magnetfelt. Det betyder, at rumfartøjets in situ plasmamålinger nogle gange er direkte magnetisk forbundet med fjernmålingerne af luftglød, selvom de er hundredvis af kilometer fra hinanden.

ICONs data vil blive suppleret med lanceringen af ​​GOLD-instrumentet i januar 2019, forkortelse for Global-scale Observations of the Limb and Disk. Hosted on a commercial satellite in geostationary orbit, GOLD also will observe the ionosphere, but from a vantage point very different from ICON's:GOLD will see the big picture, while ICON flies through the ionosphere, collecting data from up close.

"To study hurricanes, we might use a weather satellite to track how they're moving across the ocean, but to get detailed information, we fly a plane through the storm, " said England. The same relationship holds true for ICON and GOLD studying the ionosphere. "GOLD is like the weather satellite, and ICON is like the airplane."

ICON launches on a Pegasus rocket from Kwajalein Atoll in the Marshall Islands in the Pacific Ocean. Carried underneath the L-1011 airplane out over the ocean, the launch window opens at approximately 3 a.m. local time on Dec. 8. NASA TV will cover the launch.

After launch, Taylor's team will be in the mission operations center at UC Berkeley 24/7 for nearly a week to commission the spacecraft. This is followed by another three weeks of instrument commissioning, during which each one of the instruments is prepared to take science data—by powering up, opening sensor doors, ramping up voltage and cooling down detector plates. After instrument and payload commissioning, ICON should be fully online and sending back data by about a month after launch.