Op een koude ochtend begin december, een team van NASA-raketwetenschappers zal bij elkaar kruipen in de controlekamer in Ny-Ålesund, Spitsbergen, een afgelegen archipel voor de noordkust van Noorwegen. Hier op 's werelds meest noordelijke raketbereik, geëxploiteerd door het Noorse Andøya Space Center, de klok kan 8 uur 's ochtends aangeven, maar de zon zal niet opkomen - tegen die tijd, het zal niet over de horizon zijn gegluurd in meer dan een maand.

Een maand lang, Ny-Ålesund zal de thuisbasis zijn van het raketteam achter NASA's VISIONS-2-missie, afkorting voor Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2. Ze hebben zich naar deze extreme plek gewaagd om een ​​atmosferische ontsnapping van dichtbij te bekijken, het proces waarbij de aarde langzaam haar atmosfeer de ruimte in lekt. Het begrijpen van atmosferische ontsnapping op aarde heeft toepassingen in het hele universum - van het voorspellen welke verre planeten bewoonbaar zijn, om samen te vatten hoe Mars de desolaat werd, blootgesteld landschap is het vandaag. VISIONS-2 is gepland om niet eerder te lanceren dan 4 december, 2018.

Onder leiding van Doug Rowland van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, VISIONS-2 is een klinkende raketmissie, een soort suborbitale raket die korte, gerichte vluchten naar de ruimte voordat ze een paar minuten later terugvallen op aarde. Sondeerraketten zijn uniek onder wetenschappelijke ruimtevaartuigen vanwege hun superieure behendigheid:ze kunnen naar afgelegen locaties worden vervoerd, waar ze in een oogwenk op kortstondige gebeurtenissen worden gericht en geschoten - zoals de plotselinge vorming van de aurora borealis.

De aurora borealis is van groot belang voor het VISIONS-2-team, maar niet alleen vanwege zijn buitenaardse gloed. Het auroraspel zijn fundamentele drijfveren in het proces van atmosferische ontsnapping, waarbij planeten, inclusief aarde, geleidelijk hun atmosfeer de ruimte in lekken.

"De aarde verliest gewicht, " zei Thomas Moore, een Goddard ruimtefysicus die gespecialiseerd is in atmosferische ontsnapping. "Er zijn genoeg waarnemingen geweest om te weten dat er elke dag tussen de honderd en enkele honderden tonnen atmosfeer de ruimte in gaat."

(Maak je geen zorgen - in dat tempo, Moore schat, De aarde zal zijn atmosfeer ongeveer een miljard jaar behouden.)

We vermoeden dat de aarde atmosfeer verliest sinds minstens 1904, toen Sir James Jeans zijn werk The Dynamical Theory of Gases voor het eerst publiceerde, het leggen van de theoretische basis voor atmosferische ontsnapping. Maar er is één element dat wegvloeit dat nog steeds een mysterie vormt. Wetenschappers dachten lang dat zuurstof, met een gewicht van 16 keer de massa waterstof, was te zwaar om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen.

"Om de aarde te ontvluchten, zuurstof zou ongeveer 100 keer de energie nodig hebben die het normaal heeft, " zei Rowland, hoofdonderzoeker van de missie. "Alleen de kleinste fractie zou het ooit moeten halen." Maar toen wetenschappers uiteindelijk naar boven gingen en in de jaren '60 en '70 keken, dat hebben ze niet gevonden. In feite, de ruimte in de buurt van de aarde wemelt van veel meer door de aarde gedragen zuurstof dan iemand had verwacht.

"Maar hoe kwam het daar? Je hebt processen nodig die die zuurstof voldoende energie geven om te ontsnappen, ' zei Roeland.

de aurora, het blijkt, is zo'n proces. De aurora wordt gevormd wanneer energetische elektronen, versneld in de elektrische en magnetische velden in de ruimte nabij de aarde, botsen tegen en exciteren atmosferische gassen, die heldere tinten rood uitstralen, groente, en geel als ze terug ontspannen naar een lagere energietoestand. Maar deze weerbarstige elektronen veroorzaken ook een cascade van ravage in het proces, inclusief het aandrijven van elektrische stromen die de bovenste atmosfeer in vlekkerige plekken verwarmen. In sommige gevallen, dat verwarming voldoende is om verdwaalde zuurstofatomen voldoende energie te geven om te ontsnappen. "Het is alsof je een verwarmingselement in je soep stopt - uiteindelijk, het gaat koken, ' zei Roeland.

VISIES-1, de voorloper van de huidige missie, gelanceerd vanuit de Poker Flat Research Range in Alaska in 2013, waar ze de zuurstofuitstroom uit aurora bestudeerden die zich aan de nachtzijde van de aarde vormt, het deel van de planeet dat tijdelijk van de zon af is gericht. Voor de missie VISIES-2, het team reist naar een uniek deel van de wereld waar aurora overdag te vinden is.

Een keer per dag, Svalbard passeert een ongewoon kenmerk in de magnetosfeer van de aarde, bekend als de polaire cusp. De polaire knobbels vormen zich zowel aan de noord- als de zuidpool aan de naar de zon gerichte kant van de planeet, en het zijn de enige plaatsen waar deeltjes van de zonnewind rechtstreeks in onze atmosfeer kunnen stromen. De knobbels zijn als magnetische bruggen tussen de aarde en de ruimte, waar energetische elektronen van de zon tegen atmosferische deeltjes botsen en een aurora overdag creëren.

VISIONS-2 zal twee raketten naar de noordelijke poolcusp vliegen, waar het een beeldvormingstechniek zal gebruiken om de zuurstofuitstroom uit de aurora in kaart te brengen. Met behulp van deze techniek, VISIONS-2 heeft een andere aanpak dan veel andere missies, die proberen gegevens van veel uitstroomgebeurtenissen te combineren. In plaats daarvan, VISIONS-2 hoopt veel gegevens te verzamelen over een enkele zuurstofuitstroom. Niet alle uitstroomgebeurtenissen zijn hetzelfde, maar een gedetailleerd begrip ervan zou aanzienlijke wetenschappelijke waarde opleveren.

"Het is alsof je tornado's probeert te bestuderen, je zou gewoon de wind kunnen meten terwijl verschillende tornado's voorbij vliegen op verschillende afstanden van je huis, "zei Rowland. "Je zou een beeld krijgen van hoe een 'gemiddelde' tornado eruitziet. Wat we in plaats daarvan willen doen, is één tornado uitgebreid observeren, om in detail te begrijpen hoe het werkt."

Bij VISIONS-2 gaat het erom te controleren of en hoe het proces voor het opwarmen en activeren van zuurstof aan de aurora aan de dagzijde - binnen de polaire cusp - hetzelfde is als aan de nachtzijde. Het is verre van een uitgemaakte zaak, aangezien de dagzijde en nachtzijde enkele duidelijke verschillen vertonen.

"De uitstroom van ionen in de cusp is stabieler en heeft een lagere energie, terwijl dat aan de nachtkant meer barst en meer energie kan hebben, " legde Rowland uit. "Bovendien, de omgeving is anders tussen de cusp en de nachtzijde, dus we zijn op zoek naar overeenkomsten en verschillen."

VISIONS-2 zal niet de enige raket zijn die vanaf deze afgelegen locatie wordt gelanceerd:het is de eerste van negen sondeerraketten die in de komende 14 maanden worden gelanceerd als onderdeel van het Grand Challenge Initiative-Cusp. Onderzoekers trekken uit de Verenigde Staten, Canada, Noorwegen, het VK en Japan, de Grand Challenge is een internationale samenwerking om de noordelijke poolcusp te verkennen, hopelijk de code van dit ongewone portaal tussen aarde en ruimte kraken.

VISIONS-2 staat gepland voor lancering vanaf Ny-Ålesund, Svalbard-raketbereik in december 2018. Het lanceervenster loopt van 4 tot en met 18 december.