Kortlægning af en kurs for astronautsikkerhed, når NASA lancerer til Månen og til Mars

I det næste årti, NASA sigter mod at opsende menneskeheden mod månen og videre til Mars - et monumentalt skridt i bemandet rumrejse. Sådan en rejse er fyldt med udfordringer og farer, ikke ulig dem, som de første opdagelsesrejsende stod over for, der krydsede havet. Imidlertid, i stedet for stormende hav, disse opdagelsesrejsende vil sejle midt i farerne ved heliosfæren - det magnetiske miljø, der kommer ud fra solen og omfatter solsystemet. Risikoen ved at rejse gennem dette rige afhænger i sidste ende af, hvor godt vi kan forstå dynamikken deri.

"For at komme til Mars, rumfartøjer og mennesker vil blive nedsænket i heliosfæren og bliver nødt til at kæmpe med det, sagde Terry Onsager, programforsker ved NASAs hovedkvarter i Washington, D.C. "Det miljø kan være hårdt, men en vi er klar til."

For sikkert at navigere i heliosfæren, NASA-videnskabsmænd og -missioner har kortlagt regionen i årtier. Seneste resultater, fra nær-jorden til langt på tværs af solsystemet, hjælper os med at udvikle en sikker vej for fremtidige rumfarere i udlandet.

Hold dig sikker på vej til Mars

Når astronauter forlader den beskyttende magnetiske boble omkring Jorden - magnetosfæren - bliver de udsat for skadelig energisk partikelstråling fra solen. Strømmer konstant ud fra soloverfladen, disse solenergipartikler, som de er kendt, kan nå niveauer, der kan beskadige elektronik og skade levende væv i rummet.

"Periodisk, soludbrud på solens overflade kan generere enorme stigninger i de energiske partikelstrålingsmiljøer, og når det sker, systemerne skal kunne håndtere det, sagde Onsager.

Rumfartøjer bliver designet med strålingshærdet udstyr og sikre områder, hvor astronauterne kan gemme sig under solstorme - som kan vare timer til dage. Ud over disse beskyttende værdipapirer, at have et pålideligt advarselssystem er altafgørende for astronautsikkerheden.

NASAs Solar Dynamics Observatory—SDO—har holdt konstant vagt på solen i otte år. Billederne, den tager i synligt og ultraviolet lys, gør det muligt for videnskabsmænd løbende at overvåge overfladeforhold og forstå, hvilken aktivitet der kan buldre lige under, klar til at komme frem. Når først et udbrud er set på solens overflade, astronauter kan typisk få en advarsel omkring en halv times tid før den indkommende stråling når topniveauer. Selvom dette giver astronauterne noget tid til at handle, i sidste ende er der behov for forbedringer i vejrudsigten i rummet for at give mere avanceret advarsel.

Forbedring af rumvejrsudsigt

At forudsige rumvejr - den bølgende solvind og solenergipartikler, den bærer - er ikke ulig jordbaserede vejrudsigter. Det starter med at observere solen - hvilket SDO og andre NASA heliofysiske missioner udfører døgnet rundt. Data om solens aktivitet føres derefter ind i fysikbaserede computermodeller, der laver statistiske forudsigelser om sandsynligheden for et soludbrud. Dette giver derefter forskere mulighed for at advare, når en sådan begivenhed kan forekomme.

"Forudsige rumvejrfænomener, enten på jorden eller i det dybe rum, er meget, meget kompleks, " sagde Jingnan Guo, heliofysiker ved universitetet i Kiel i Tyskland. "Vi er nødt til at overveje skalaer fra afstanden mellem solen og jorden - omkring 93 millioner miles, hvor bølger og udbrudt materiale forplanter sig over rummet - til under et par meter, i hvilken skala du ser partiklernes turbulens og kinematik."

Fra nu af, vores forståelse af den komplekse dynamik, der er på spil i heliosfæren, er ufuldstændig, gør forudsigelser vanskelige; de bedste modeller er stadig i de tidlige udviklingsstadier. Forskere, der modellerer rumvejr, er afhængige af NASAs mange heliofysiske missioner for at forbedre deres prognoser.

"Hvis du kun har en enkelt punktobservation, det er meget svært at modellere eller endda, Sommetider, fortolke dataene. Hvis du har flere point, end du kan begrænse din model og sikre dig, at de underliggende teorier er i stand til at gengive den begivenhed, " sagde Leila Mays, en rumvejrforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Sidste år, en stærk solenergipartikelhændelse blev observeret af flere NASA-missioner. Resultaterne, som registrerer den første partikelhændelse set på jordniveau på både Mars og Jorden, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Rumvejr . I denne begivenhed, højenergipartikler accelereret af et intensivt chok drevet af en koronal masseudstødning - en voldsom eksplosion på soloverfladen, der spyer gas og energiske partikler ud - blev først opdaget, da de forlod solen med SDO. Forskerne brugte jordbaserede instrumenter og modeller til at spore, hvordan materiale bevægede sig gennem heliosfæren og til at måle deres intensitet, når de nåede Jorden og Mars.

Sådanne flerpunktsobservationer er essentielle for at forstå, hvordan partikler, der blæses fra solen, rejser gennem solsystemet. Denne viden om, hvordan stråling spredes, hjælper i sidste ende med at forbedre modeller - hvilket giver astronauter mere avanceret advarsel om potentielt farlige rumvejrhændelser.

"Selvom dette er den største solenergipartikelhændelse, vi har observeret på Mars' overflade, det ville ikke have været farligt for astronauter der, " sagde Guo, der har skrevet avisen. "Imidlertid, meget større solenergipartikelhændelser er mulige, og denne begivenhed hjælper os med at forstå, hvordan det kan se ud."

Forskere vil fortsætte med at studere rumvejr fra Jorden med jordbaserede instrumenter såvel som NASAs heliofysiske flåde af rumfartøjer, men fremtidige missioner vil give nye synspunkter.

"Ultimativt, flere data er nødvendige, og vi håber at få nogle fra Parker Solar Probe, da det går så tæt på solen, hvor disse skadelige partikler accelereres til høje energier, " sagde Mays. "Vi har antagelser om, hvordan denne acceleration virker, som går ind i modellerne, men målinger fra Parker ville virkelig hjælpe med at forbedre vores teorier."

Allerede, strålingsvurderingsdetektorinstrumentet ombord på Curiosity Rover har målt højenergistråling på Mars-overfladen - data, der hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvor meget stråling mennesker vil blive udsat for, når de besøger den røde planet. NASA og NOAAs fælles Geostationary Operational Environmental Satellite Program har målt energipartikelmålinger for nuværende astronauter siden 1980'erne. Instrumenter til at studere partikelstråling vil også være ombord på fremtidige flyvninger og Lunar Orbital Platform-Gateway, den foreslåede forpost til at kredse om månen.

"Fremtidige menneskelige udforskningskøretøjer i dybt rum giver ikke kun muligheden for at beskytte besætningen ombord, men laver samtidig nye videnskabelige eksperimenter, " sagde Antti Pulkkinen, videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center. "De vil tjene dette dobbelte formål."

Disse målinger vil gavne mere end blot rumvejrsprognoser. De vil også hjælpe os med at forstå ting tættere på hjemmet - som månen.

Ny indsigt på månen

At vende tilbage til månen vil utvivlsomt låse nye døre op for at forstå vores nærmeste nabo i rummet. Trods alt, det var først, da vi trådte foden på månen, at vi var i stand til at forstå dens oprindelse. I dag opdager vi stadig nye ting og NASA-missioner som Acceleration, Genforbindelse, Turbulens, og Elektrodynamik af månens interaktion med solen – ARTEMIS – afslører ny indsigt i månens spinkle atmosfære.

Månen er, faktisk, ikke luftfri. Det har et tyndt atmosfærisk lag - exosfæren - hovedsageligt sammensat af brint, helium, neon og argon, strækker sig omkring hundrede miles over overfladen. Blandet på den øvre kant af exosfæren er et spinkelt og flygtigt sekundært lag - ionosfæren - skabt af sollys, der aktiverer atomer i exosfæren.

"Ionosfæren er en million gange mindre tæt end Jordens ionosfære, så det er virkelig svært at måle de ladede partikler direkte, sagde Jasper Halekas, ARTEMIS videnskabsmand ved University of Iowa i Iowa City, og hovedforfatter på en ny undersøgelse af månens ionosfære.

Ved at bruge en ny teknik til at analysere data fra ARTEMIS, Halekas og hans team var i stand til at måle ionosfæren direkte. De bemærkede, at ionosfæren forstørrede hver fuldmåne og blev koblet sammen med Jordens ionosfære - hvilket betyder, at ladede partikler sandsynligvis er i stand til at rejse frem og tilbage mellem de to kroppes ionosfærer.

"Månens tilstedeværelse kan faktisk påvirke Jordens magnetosfære, " sagde Halekas. "Det kan faktisk forstyrre det lokale miljø."

Nye missioner til månen ville gøre det muligt at studere ionosfæren og exosfæren fra overfladen, giver os en bedre forståelse af den kobling, og hvordan vores atmosfære kan være forbundet med månens.

De nye resultater kan også hjælpe os til bedre at forstå, hvordan atmosfærer skabes og opretholdes på små kroppe.

"Den samme teknik kan anvendes på mange andre kroppe i solsystemet, som burde have en spinkel atmosfære som månens, " sagde Halekas. "Dette ville omfatte:måner omkring de ydre planeter, store kroppe i asteroidebæltet, ting i Kuiper bæltet, og endda genstande uden for solsystemet."

Tag afsted med tillid

Det er svært at forudsige de opdagelser, der vil blive gjort som menneskehedens rejser til månen og Mars, selvom de bestemt vil være utallige. Hvad der er sikkert, er den hovedrolle heliofysik vil spille for at hjælpe os med at komme dertil. At studere heliofysik og rumvejr er uvurderlige for at beskytte vores astronauter og aktiver i rummet. Og, utvivlsomt, denne rejse gennem solsystemet vil hjælpe os med at afsløre nye opdagelser om heliosfæren, vi kalder hjem, gør rummets veje sikrere for fremtidige generationer af rumfarere.