Op 8 december 2017, NASA lanceert de Ionospheric Connection Explorer, of ICOON, een satelliet in een lage baan om de aarde die ons nieuwe informatie zal geven over hoe de atmosfeer van de aarde interageert met de ruimte nabij de aarde - een geven en nemen dat een belangrijke rol speelt in de veiligheid van onze satellieten en de betrouwbaarheid van communicatiesignalen.

specifiek, ICON onderzoekt de verbindingen tussen de neutrale atmosfeer - die zich uitstrekt van hier nabij het oppervlak tot ver boven ons, aan de rand van de ruimte - en het elektrisch geladen deel van de atmosfeer, de ionosfeer genoemd. De deeltjes van de ionosfeer dragen een elektrische lading die communicatiesignalen kan verstoren, ervoor zorgen dat satellieten in een lage baan om de aarde elektrisch worden opgeladen, en, in extreme gevallen, stroomstoringen op de grond veroorzaken. Gepositioneerd aan de rand van de ruimte en vermengd met de neutrale sfeer, de reactie van de ionosfeer op de omstandigheden op aarde en in de ruimte is moeilijk vast te stellen.

"De omstandigheden in onze ruimteomgeving - ruimteweer - moeten we kunnen voorspellen, " zei Thomas Immel, hoofdonderzoeker voor de ICON-missie van de Universiteit van Californië, Berkeley. "Het is moeilijk om de omstandigheden in de ionosfeer van morgen te voorspellen op basis van wat we vandaag meten."

De interface van de aarde met de ruimte

Naarmate men hoger en hoger boven het aardoppervlak komt, de atmosfeer wordt geleidelijk dunner. De effecten van deze veranderingen kunnen slechts enkele kilometers boven zeeniveau worden gevoeld, bijvoorbeeld klimmers op enkele van 's werelds hoogste bergen moeten vaak zuurstoftanks gebruiken om te ademen. Maar nog hoger, ongeveer 60 mijl boven het aardoppervlak, de atmosfeer wordt zo dun dat vliegtuigen niet kunnen vliegen. Hier begint de ruimte.

Zelfs buiten deze grens van de ruimte, De atmosfeer van de aarde blijft zich naar boven uitstrekken - het wordt alleen maar dunner en zwakker naarmate je hoger komt. Dit gebied ligt boven de ozonlaag van de aarde, dus het wordt blootgesteld aan de volle kracht van de straling van de zon. De sterke ultraviolette straling breekt stabiel af, neutrale moleculen, ze veranderen van iets dat lijkt op de lucht die we inademen in meer reactieve vormen van gas, zoals atomaire zuurstof. Deze reactieve verbindingen in de neutrale bovenste atmosfeer produceren een zwak, globale gloed, luchtstroom genoemd.

Maar daar houdt het zonlicht niet op. Het blijft deze atmosferische moleculen uit elkaar halen, afslaan van elektronen, die een zee van geladen elektronen en ionen achterlaat. Deze populatie van elektrisch geladen deeltjes is de ionosfeer, en het bestaat in dezelfde ruimte als de extreem dunne neutrale bovenste atmosfeer.

Dit maakt onze interface naar de ruimte een unieke regio, waar geladen en neutrale gassen naast elkaar bestaan. Het wordt gevormd door zowel weerpatronen als winden van de aarde beneden, en verschuivende elektrische en magnetische velden en ruimteweer van bovenaf.

"ICON wil begrijpen hoe het weer op aarde het ruimteweer wijzigt, " zei Doug Rowland, missiewetenschapper voor ICON bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "We kijken naar hoe het weer waarin we leven - regen, warmte, sneeuw, onweer, orkanen - beïnvloedt de ruimteomgeving boven ons."

Ruimteweer wordt vaak veroorzaakt door veranderingen op de zon, die een constante uitstroom van gemagnetiseerd materiaal, de zonnewind genaamd, vrijgeeft, samen met minder frequente maar intensere uitbarstingen van zonnemateriaal, coronale massa-ejecties genoemd. De magnetische velden die in dit zonnemateriaal zijn ingebed, kunnen het natuurlijke magnetische veld van de aarde vervormen, het creëren van verschuivende elektrische en magnetische velden in de ruimte nabij de aarde. Het elektrisch geladen gas van de ionosfeer, plasma genoemd, reageert uniek op deze veranderende elektrische en magnetische velden.

Veel satellieten in een lage baan om de aarde, waaronder het internationale ruimtestation, door de ionosfeer vliegen. Het fungeert ook als een kanaal voor veel van onze communicatiesignalen, zoals radiogolven en de signalen die GPS-systemen laten werken. Onvoorspelbare veranderingen in de ionosfeer, als rimpelingen en bellen van dicht plasma, kunnen grote gevolgen hebben voor onze technologie en communicatie.

"Kortegolf radiogolven weerkaatsen van de ionosfeer, en signalen van GPS-satellieten moeten passeren, " zei Immel. "De veranderingen in dichtheid hebben rechtstreeks invloed op communicatie en navigatie."

Het is in het verleden moeilijk geweest om de details te begrijpen van wat de ionosfeer beïnvloedt en signaalverstoringen veroorzaakt. deels vanwege het scala aan factoren die de ionosfeer kunnen veranderen. Al decenia, wetenschappers dachten dat de ionosfeer alleen reageerde op de veranderende omstandigheden in de ruimte. Nieuwe gegevens van de afgelopen decennia, echter, heeft bewezen dat die veronderstelling onjuist is, en onthulde dat er nog veel te leren valt over de krachten die de ionosfeer vormen.

"Wat we ontdekten, met behulp van gegevens van een NASA-missie genaamd IMAGE, was dat dit gebied van de bovenste atmosfeer en ionosfeer eigenlijk reageerde op effecten gerelateerd aan weersystemen nabij het aardoppervlak, " zei Scott Engeland, ICON-projectwetenschapper bij Virginia Tech in Blacksburg. AFBEELDING, afkorting van Imager voor Magnetopauze-naar-Aurora Global Exploration, bestudeerde de magnetosfeer van de aarde van 2000 tot 2005. "Dit was destijds echt onverwacht, verband te zien. Waar de geladen deeltjes waren, hoeveel het er waren, hoe dicht het gas was - ze reageerden op weerpatronen in de buurt van het aardoppervlak."

Door orkanen ontstaan ​​er holtes met hoge of lage druk nabij het aardoppervlak. onweer, of zelfs verschijnselen zo eenvoudig als een constante wind over een bergketen. Deze drukverschillen kunnen zich tot in de hoogste regionen van de bovenste atmosfeer voortplanten en de wind in deze regio beïnvloeden. De exacte rol die deze winden - en bij uitbreiding, terrestrisch weer - spelen bij het vormgeven van de ionosfeer is een uitstekende vraag, en een die wetenschappers hopen dat ICON zal beantwoorden.

"We denken dat de wind direct gerelateerd zal zijn aan het elektrische veld gemeten bij het ruimtevaartuig, maar we weten het niet, "zei Immel. "Niemand heeft ooit deze meting gedaan, dus niemand weet wat we gaan zien."

Ogen op de ionosfeer

ICON verkent deze verbindingen tussen de neutrale atmosfeer en de elektrisch geladen ionosfeer met vier instrumenten. Drie van deze vier instrumenten vertrouwen op een van de meer spectaculaire fenomenen in de bovenste atmosfeer:luchtgloed.

Airglow wordt gecreëerd door een soortgelijk proces dat de aurora creëert:gas wordt opgewonden en straalt licht uit. Hoewel aurora's doorgaans beperkt zijn tot extreme noordelijke en zuidelijke breedtegraden, airglow gebeurt constant over de hele wereld, en het is veel zwakker. Maar het is nog steeds helder genoeg voor ICON's instrumenten om een ​​beeld op te bouwen van de dichtheid, samenstelling en structuur van de ionosfeer.

Een van deze airglow-meetinstrumenten is MIGHTI, afkorting voor Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging. Ontworpen en gebouwd door het Naval Research Lab in Washington, gelijkstroom, MIGHTI meet de Doppler-verschuiving van de gloeiende gassen van de bovenste atmosfeer en de ionosfeer.

"De Doppler-shift is hetzelfde proces dat je kunt horen als je een sirene op een ambulance hoort:het heeft een andere toonhoogte wanneer de ambulance naar je toe komt dan wanneer je van je af beweegt, "zei Engeland. "Hetzelfde gebeurt met het licht van airglow."

Wanneer gasproducerende airglow naar of weg van ICON beweegt, voortgedreven door wind, de golflengten worden uitgerekt of gecomprimeerd. Omdat wetenschappers weten welke chemische soorten luchtgloed produceren in de bovenste atmosfeer, ze weten heel specifiek welke golflengte - of kleur - dat licht zou moeten zijn. Het Doppler-verschoven licht heeft een steeds iets andere tint die MIGHTI kan detecteren, en vanaf daar, wetenschappers kunnen de snelheid en richting van de wind in deze regio afleiden.

Instrumenten vergelijkbaar met MIGHTI hebben eerder op ruimtemissies gevlogen, maar met een belangrijk verschil. Eerdere op de ruimte gebaseerde interferometers zouden bewegende delen gebruiken om de afstand tussen verschillende reflectoren en detectoren te veranderen om elke golflengte van licht te meten. Maar MIGHTI gebruikt een hulpmiddel dat een diffractierooster wordt genoemd - vergelijkbaar met een spiegel met daarin geëtste lijnen die licht op een bepaalde manier reflecteren - om het licht dat het ziet tegelijkertijd te scheiden in de samenstellende golflengten. Dit betekent dat MIGHTI meerdere golflengten tegelijk kan meten, waardoor het instrument gevoeliger wordt.

"MIGHTI kan veranderingen in de windsnelheid van ongeveer 10 mijl per uur meten, "zei Engeland. "Als je dat vertaalt naar de daadwerkelijke verandering in de golflengte, dat is een verandering van ongeveer 1 op 100 miljoen."

Een ander airglow-instrument, het Far Ultraviolet-instrument, maakt gebruik van een geavanceerde de-blurring-techniek genaamd time-delay-integratie om meer informatie terug te sturen naar wetenschappers binnen de databandbreedtebeperkingen van het ruimtevaartuig.

"We hebben de bandbreedte om elke 12 seconden een snapshot te verzenden, maar het ruimtevaartuig beweegt in die tijd ongeveer honderd kilometer, en de structuren die we willen bekijken zijn slechts enkele kilometers breed, "zei Rowland. "Je zou al deze kleinschalige constructies besmeuren."

Wat het Far Ultraviolet-instrument in plaats daarvan doet, zei Rowland, is acht snapshots per seconde nemen - bijna honderd keer zoveel gegevens als ICON kan verzenden - en ze combineren, met elk op de juiste manier verschoven om rekening te houden met kromtrekken en de geometrie van het ruimtevaartuig. Deze verwerking, wat allemaal gebeurt op de boordcomputer van ICON, creëert een enkele afbeelding die binnen de toegewezen bandbreedte naar de aarde kan worden teruggestuurd. Dit combineert de voordelen van een lange belichting door de gegevens te comprimeren, terwijl ze nog steeds de scherpe focus behouden die wetenschappers een gedetailleerd beeld geeft van de structuren waarin ze geïnteresseerd zijn. De golflengten die door FUV worden gemeten, worden geproduceerd door bepaalde soorten zuurstof- en stikstofmoleculen aan de kant van de aarde, evenals zuurstofionen aan de nachtzijde van de aarde.

ICON's derde airglow-instrument, EUV, een afkorting van Extreme Ultraviolet Instrument, meet kortere golflengten van licht dan FUV. Airglow gemeten door EUV wordt geproduceerd door zuurstofionen aan de dagzijde van de aarde, die het leeuwendeel van de ionosfeer overdag van de aarde uitmaken. EUV's gegevens zullen details onthullen over de structuur van de ionosfeer gedurende de dag, zoals hoe ver deze zich uitstrekt, en waar zich zakjes met dichter plasma vormen - die de interactie van de ionosfeer met communicatiesignalen en satellieten kunnen veranderen.

Terwijl de drie airglow-instrumenten van ICON de temperatuur meten, snelheid en samenstelling van gassen mijlen verwijderd van het ruimtevaartuig, een paar identieke in situ instrumenten kenmerkt het geladen gas rond het ruimtevaartuig. De twee ionensnelheidsmeters, of IVM's, zeer nauwkeurige metingen uitvoeren van de hoek waaronder geïoniseerd gas het instrument binnenkomt, helpt wetenschappers te begrijpen hoe dit geïoniseerde gas rond het ruimtevaartuig beweegt.

Vroeger, wetenschappers hebben misschien instrumenten van verschillende ruimtevaartuigen moeten combineren - soms zelfs uit verschillende jaren - om te proberen verbindingen te maken tussen de lagere atmosfeer, neutrale bovenste atmosfeer en ionosfeer. Maar een van de belangrijkste verbeteringen van ICON is de combinatie van gegevens van zijn vier instrumenten op dezelfde plaats en tijd

"The unique thing is the suite of instruments, " said Ellen Taylor, ICON project systems engineer at UC Berkeley. "ICON has several instruments that have been flown before, but they're put together into a payload suite to make unique measurements."

ICON's orbit is also designed to create a few points during each orbit where the remote sensing instruments look straight down Earth's magnetic field. That means the spacecraft's in situ plasma measurements are sometimes directly magnetically connected to the remote measurements of airglow, even though they're hundreds of miles apart.

ICON's data will be complemented by the January 2019 launch of the GOLD instrument, short 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.

Na de lancering, 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.