For at afbilde utæt atmosfære, NASA rakethold tager nordpå

På en kold morgen i begyndelsen af ​​december, et hold af NASA raketforskere vil hut sig sammen i kontrolrummet i Ny-Ålesund, Svalbard, en fjerntliggende skærgård ud for Norges nordlige kyst. Her ved verdens nordligste raketrækkevidde, drives af Norges Andøya Space Center, klokken kan vise 8 om morgenen, men solen vil ikke stå op - til den tid, den vil ikke have kigget over horisonten om mere end en måned.

I en måneds tid, Ny-Ålesund vil være hjemsted for raketholdet bag NASAs VISIONS-2 mission, forkortelse for Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2. De har vovet sig til dette ekstreme sted for et tæt kig på atmosfærisk flugt, den proces, hvorved Jorden langsomt siver sin atmosfære ud i rummet. At forstå atmosfærisk flugt på Jorden har anvendelser over hele universet - fra at forudsige, hvilke langt væk planeter der kan være beboelige, at sammensætte, hvordan Mars blev den øde, det udsatte landskab, det er i dag. VISIONS-2 er planlagt til at lancere tidligst den 4. december, 2018.

Ledet af Doug Rowland fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, VISIONS-2 er en klingende raketmission, en type suborbital raket, der gør kort, målrettede flyvninger ud i rummet, før de faldt tilbage til Jorden blot et par minutter senere. Raketter med lyd er unikke blandt videnskabelige rumfartøjer for deres overlegne fingerfærdighed:De kan transporteres til fjerntliggende steder, hvor de sigtes og skydes ind i kortvarige begivenheder – som den pludselige dannelse af nordlys – med et øjebliks varsel.

Aurora borealis er af stor interesse for VISIONS-2-holdet, men ikke kun for dens overjordiske glød. Aurora-spillet er grundlæggende drivkræfter i processen med atmosfærisk flugt, hvorved planeter, inklusive Jorden, gradvist lække deres atmosfære ud i rummet.

"Jorden taber sig, " sagde Thomas Moore, en Goddard rumfysiker, der har specialiseret sig i atmosfærisk flugt. "Der har været nok observationer til at vide, at alt fra hundrede til flere hundrede tons atmosfære går ud i rummet hver dag."

(Ikke at bekymre dig - i den hastighed, Moore vurderer, Jorden vil beholde sin atmosfære i en milliard år eller deromkring.)

Vi har haft mistanke om, at Jorden var ved at miste atmosfæren siden mindst 1904, da Sir James Jeans første gang udgav sit værk The Dynamical Theory of Gases, lægger det teoretiske grundlag for atmosfærisk flugt. Men der er et element, der løber væk, som stadig udgør et mysterium. Forskere havde længe troet, at ilt, vejer 16 gange brintmassen, var for tung til at undslippe Jordens tyngdekraft.

"For at undslippe Jorden, ilt ville kræve noget i retning af 100 gange den energi, den typisk har, " sagde Rowland, missionens hovedefterforsker. "Kun den mindste del skulle nogensinde klare det." Men da videnskabsmænd endelig gik op og kiggede i 60'erne og 70'erne, det var ikke det, de fandt. Faktisk, Jordnært rum vrimler med meget mere jordbåren ilt, end nogen havde forventet.

"Men hvordan kom det derop? Du har brug for processer, der giver energi nok til at undslippe, " sagde Rowland.

Nordlys, det viser sig, er en sådan proces. Aurora dannes, når energiske elektroner, accelereret i de elektriske og magnetiske felter i det nære Jord-rum, styrte ind i og excitere atmosfæriske gasser, som udsender lyse røde nuancer, grøn, og gul, når de slapper af tilbage til en lavere energitilstand. Men disse uregerlige elektroner skaber også en kaskade af ravage i processen, herunder at drive elektriske strømme, der opvarmer den øvre atmosfære i plettede pletter. I nogle tilfælde, at opvarmning er tilstrækkelig til at give herreløse iltatomer nok energi til at undslippe. "Det er som at sætte et varmeelement i din suppe - til sidst, det begynder at koge, " sagde Rowland.

VISIONS-1, den nuværende missions forløber, lanceret fra Poker Flat Research Range i Alaska i 2013, hvor de studerede iltudstrømning fra nordlys, der dannes på Jordens natside, den del af planeten, der midlertidigt peger væk fra Solen. Til VISIONS-2-missionen, holdet vil rejse til en unik del af kloden, hvor der kan findes nordlys.

En gang om dagen, Svalbard passerer under et usædvanligt træk i Jordens magnetosfære kendt som polarspidsen. Polarspidserne dannes ved både nord- og sydpolen på den solvendte side af planeten, og de er de eneste steder, hvor partikler fra solvinden kan strømme direkte ind i vores atmosfære. Spidserne er som magnetiske broer mellem Jorden og rummet, hvor energiske elektroner fra Solen styrter ind i atmosfæriske partikler og skaber et nordlys på dagen.

VISIONS-2 vil flyve to raketter ind i den nordlige polarspids, hvor den vil bruge en billeddannelsesteknik til at kortlægge iltudstrømningen fra nordlyset. Ved at bruge denne teknik, VISIONS-2 har en anden tilgang end mange andre missioner, som forsøger at kombinere data fra mange udstrømningshændelser. I stedet, VISIONS-2 håber at få en masse data om en enkelt iltudstrømningshændelse. Ikke alle udstrømningshændelser er ens, men at forstå en i detaljer ville give betydelig videnskabelig værdi.

"Det er ligesom hvis du prøver at studere tornadoer, du kunne bare måle vinden, mens forskellige tornadoer flyver forbi i forskellige afstande fra dit hus, " sagde Rowland. "Du ville få et billede af, hvordan en 'gennemsnitlig' tornado ser ud. Det, vi ønsker at gøre i stedet, er at observere en tornado omfattende, at forstå, hvordan det fungerer i detaljer."

VISIONS-2 handler om at kontrollere, om og hvordan processen til opvarmning og energitilførsel af ilt på nordlyset på dagen - inden for den polære spids - er den samme som dem, der blev opdaget på natsiden. Det er langt fra en selvfølge, da dag- og natsiden viser nogle markante forskelle.

"Ionudstrømningen i spidsen er mere stabil og lavere energi, mens det om natten er mere sprængfyldt og kan være højere energi, Rowland forklarede. miljøet er forskelligt mellem spidsen og natsiden, så vi leder efter fællestræk og forskelle."

VISIONS-2 vil ikke være den eneste raket, der opsendes fra denne fjerntliggende placering:Den er den første af ni raketter, der lyder i løbet af de næste 14 måneder, som en del af Grand Challenge Initiative-Cusp. Tegning af forskere fra USA, Canada, Norge, Storbritannien og Japan, Grand Challenge er et internationalt samarbejde om at udforske den nordlige polarspids, forhåbentlig knækker koden til denne usædvanlige portal mellem Jorden og rummet.

VISIONS-2 er planlagt til at lancere fra Ny-Ålesund, Svalbard raketrækkevidde i december 2018. Affyringsvinduet strækker sig fra 4. til 18. december.