In het volgende decennium zal NASA wil de mensheid naar de maan en naar Mars lanceren - een monumentale stap in bemande ruimtevaart. Zo'n reis is vol uitdagingen en gevaren, niet anders dan die waarmee de eerste ontdekkingsreizigers de oceaan overstaken. Echter, in plaats van stormachtige zeeën, deze ontdekkingsreizigers zullen zeilen te midden van de gevaren van de heliosfeer - de magnetische omgeving die uit de zon komt en het zonnestelsel omvat. De risico's van reizen door dit rijk zijn uiteindelijk afhankelijk van hoe goed we de dynamiek daarin kunnen begrijpen.

"Om naar Mars te gaan, ruimtevaartuigen en mensen zullen worden ondergedompeld in de heliosfeer en zullen ermee te maken krijgen, " zei Terry Onsager, programmawetenschapper op het NASA-hoofdkwartier in Washington, D.C. "Die omgeving kan hard zijn, maar een waar we klaar voor zijn."

Om veilig door de heliosfeer te navigeren, Wetenschappers en missies van NASA brengen de regio al tientallen jaren in kaart. recente resultaten, van dichtbij de aarde tot ver over het zonnestelsel, helpen ons een veilig pad te vinden voor toekomstige ruimteverkenners in het buitenland.

Veilig blijven op weg naar Mars

Als astronauten de beschermende magnetische bel rond de aarde - de magnetosfeer - verlaten, worden ze blootgesteld aan schadelijke energetische deeltjesstraling van de zon. Voortdurend uitstromend van het zonneoppervlak, deze zonne-energetische deeltjes, zoals ze bekend zijn, kan niveaus bereiken die elektronica kunnen beschadigen en levend weefsel in de ruimte kunnen beschadigen.

"Periodiek, zonne-uitbarstingen op het oppervlak van de zon kunnen enorme toenames veroorzaken in de energetische deeltjesstralingsomgevingen, en wanneer dat gebeurt, systemen moeten dat aankunnen, ', aldus Onsager.

Ruimtevaartuigen worden ontworpen met stralingsbestendige apparatuur en veilige gebieden waar de astronauten zich kunnen verbergen tijdens zonnestormen, die uren tot dagen kunnen duren. Naast deze beschermende zekerheden, het hebben van een betrouwbaar waarschuwingssysteem is van het grootste belang voor de veiligheid van astronauten.

NASA's Solar Dynamics Observatory - SDO - houdt de zon acht jaar lang constant in de gaten. De beelden die het maakt in zichtbaar en ultraviolet licht stellen wetenschappers in staat om voortdurend de oppervlaktecondities in de gaten te houden en te begrijpen welke activiteit er net onder, klaar om tevoorschijn te komen. Zodra een uitbarsting wordt gezien op het oppervlak van de zon, astronauten kunnen doorgaans ongeveer een half uur van tevoren worden gewaarschuwd voordat de binnenkomende straling piekniveaus bereikt. Hoewel dit astronauten enige tijd geeft om actie te ondernemen, uiteindelijk zijn verbeteringen in de voorspelling van het ruimteweer nodig om geavanceerdere waarschuwingen te geven.

Verbetering van de weersvoorspelling in de ruimte

Het voorspellen van ruimteweer - de golvende zonnewind en zonne-energetische deeltjes die het draagt ​​- is niet anders dan aardse weersvoorspellingen. Het begint met het observeren van de zon - wat SDO en andere NASA-heliofysica-missies de klok rond doen. Gegevens over de activiteit van de zon worden vervolgens ingevoerd in op fysica gebaseerde computermodellen die statistische voorspellingen doen over de waarschijnlijkheid van een zonne-uitbarsting. Hierdoor kunnen wetenschappers waarschuwen wanneer een dergelijke gebeurtenis zich kan voordoen.

"Voorspellen van ruimteweerverschijnselen, of het nu op aarde is of in de verre ruimte, is zeer, erg complex, " zei Jingnan Guo, heliofysicus aan de Universiteit van Kiel in Duitsland. "We moeten rekening houden met schalen vanaf de afstand zon-aarde - ongeveer 93 miljoen mijl, waarop golven en uitgebarsten materiaal zich door de ruimte voortplanten - tot onder een paar meter, op welke schaal zie je de turbulentie en kinematica van de deeltjes."

Vanaf nu, ons begrip van de complexe dynamiek in de heliosfeer is onvolledig, voorspellingen moeilijk maken; de beste modellen bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling. Wetenschappers die ruimteweer modelleren, zijn afhankelijk van de vele heliofysica-missies van NASA om hun voorspellingen te verbeteren.

"Als je maar een enkele observatie hebt, het is erg moeilijk om te modelleren of zelfs, soms, de gegevens interpreteren. Als je meerdere punten hebt, dan kun je je model beperken en ervoor zorgen dat de onderliggende theorieën die gebeurtenis kunnen reproduceren, " zei Leila Mays, een ruimteweerwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Vorig jaar, een sterke zonne-energetische deeltjesgebeurtenis werd waargenomen door meerdere NASA-missies. De resultaten, die de eerste deeltjesgebeurtenis registreren die op grondniveau op zowel Mars als aarde zijn waargenomen, werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Ruimteweer . In dit geval, hoogenergetische deeltjes versneld door een intensieve schok aangedreven door een coronale massa-ejectie - een gewelddadige ontploffing op het zonneoppervlak die gas en energetische deeltjes spuwt - werden voor het eerst gedetecteerd toen ze de zon verlieten met SDO. De wetenschappers gebruikten instrumenten en modellen op de grond om te volgen hoe materiaal door de heliosfeer bewoog en om hun intensiteit te meten bij het bereiken van de aarde en Mars.

Dergelijke meerpuntswaarnemingen zijn essentieel om te begrijpen hoe deeltjes die van de zon zijn gestraald door het zonnestelsel reizen. Deze kennis van hoe straling zich verspreidt, helpt uiteindelijk om modellen te verbeteren, waardoor astronauten geavanceerder worden gewaarschuwd voor mogelijk gevaarlijke ruimteweergebeurtenissen.

"Hoewel dit de grootste zonne-energetische deeltjesgebeurtenis is die we op het oppervlak van Mars hebben waargenomen, het zou daar niet gevaarlijk zijn geweest voor astronauten, " zei Guo, die de krant heeft geschreven. "Echter, veel grotere zonne-energetische deeltjesgebeurtenissen zijn mogelijk en deze gebeurtenis helpt ons te begrijpen hoe dat eruit zou kunnen zien."

Wetenschappers zullen het ruimteweer vanaf de aarde blijven bestuderen met instrumenten op de grond, evenals de heliofysica-vloot van ruimtevaartuigen van de NASA. maar toekomstige missies zullen nieuwe gezichtspunten opleveren.

"Uiteindelijk, er zijn meer gegevens nodig en we hopen wat van Parker Solar Probe te krijgen, omdat het zo dicht bij de zon komt, waar deze schadelijke deeltjes worden versneld tot hoge energieën, Mays zei. "We hebben aannames over hoe deze versnelling werkt die in de modellen worden verwerkt, maar metingen van Parker zouden onze theorieën echt helpen verbeteren."

Nu al, het Radiation Assessment Detector Instrument aan boord van de Curiosity Rover heeft hoogenergetische straling op het oppervlak van Mars gemeten - gegevens die wetenschappers helpen begrijpen aan hoeveel straling mensen zullen worden blootgesteld wanneer ze de rode planeet bezoeken. Het gezamenlijke Geostationary Operational Environmental Satellite Program van NASA en NOAA meet sinds de jaren tachtig energetische deeltjesmetingen voor huidige astronauten. Instrumenten om deeltjesstraling te bestuderen zullen ook aan boord zijn van toekomstige vluchten en de Lunar Orbital Platform-Gateway, de voorgestelde buitenpost om in een baan om de maan te draaien.

"Toekomstige menselijke verkenningsvoertuigen in de diepe ruimte bieden niet alleen de mogelijkheid om de bemanning aan boord te beschermen, maar tegelijkertijd nieuwe wetenschappelijke experimenten doen, " zei Antti Pulkkinen, wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center. "Ze zullen dit tweeledige doel dienen."

Deze metingen zullen meer ten goede komen dan alleen ruimteweersvoorspellingen. Ze zullen ons ook helpen dingen dichter bij huis te begrijpen, zoals de maan.

Nieuw inzicht op de maan

Terugkeren naar de maan zal ongetwijfeld nieuwe deuren openen om onze naaste buur in de ruimte te begrijpen. Ten slotte, pas toen we voor het eerst voet op de maan zetten, konden we de oorsprong ervan begrijpen. Vandaag ontdekken we nog steeds nieuwe dingen en NASA-missies zoals de Acceleration, Opnieuw verbinden, turbulentie, en Elektrodynamica van de interactie van de maan met de zon - ARTEMIS - onthullen nieuwe inzichten in de ijle atmosfeer van de maan.

De maan is, in feite, niet luchtloos. Het heeft een dunne atmosferische laag - de exosfeer - die voornamelijk bestaat uit waterstof, helium, neon en argon, strekt zich ongeveer honderd mijl boven het oppervlak uit. Aan de bovenrand van de exosfeer is een ijle en kortstondige secundaire laag - de ionosfeer - gemengd, gecreëerd door atomen in de exosfeer die zonlicht stimuleren.

"De ionosfeer is een miljoen keer minder dicht dan de ionosfeer van de aarde, dus het is echt moeilijk om die geladen deeltjes direct te meten, " zei Jasper Halekas, ARTEMIS-wetenschapper aan de Universiteit van Iowa in Iowa City, en hoofdauteur van een nieuwe studie van de ionosfeer van de maan.

Met behulp van een nieuwe techniek om gegevens van ARTEMIS te analyseren, Halekas en zijn team waren in staat om de ionosfeer direct te meten. Ze merkten op dat de ionosfeer elke volle maan groter werd en gekoppeld werd aan de ionosfeer van de aarde - wat betekent dat geladen deeltjes waarschijnlijk heen en weer kunnen reizen tussen de ionosfeer van de twee lichamen.

"De aanwezigheid van de maan kan de magnetosfeer van de aarde beïnvloeden, "Zei Halekas. "Het zou zelfs die lokale omgeving kunnen verstoren."

Nieuwe missies naar de maan zouden de studie van de ionosfeer en exosfeer vanaf het oppervlak mogelijk maken, waardoor we een beter begrip krijgen van die koppeling en hoe onze atmosfeer in verband kan worden gebracht met die van de maan.

De nieuwe resultaten kunnen ons ook helpen beter te begrijpen hoe atmosferen worden gecreëerd en in stand gehouden op kleine lichamen.

"Dezelfde techniek kan worden toegepast op veel andere lichamen in het zonnestelsel, die een ijle atmosfeer zou moeten hebben zoals die van de maan, "Zei Halekas. "Dit omvat:manen rond de buitenste planeten, grote lichamen in de asteroïdengordel, dingen in de Kuipergordel, en zelfs objecten buiten het zonnestelsel."

Op weg met vertrouwen

Het is moeilijk om de ontdekkingen te voorspellen die zullen worden gedaan als de mensheid op reis gaat naar de maan en Mars, hoewel ze zeker ontelbaar zullen zijn. Wat zeker is, is de hoofdrol die heliofysica zal spelen om ons te helpen daar te komen. Het bestuderen van heliofysica en ruimteweer is van onschatbare waarde voor de bescherming van onze astronauten en activa in de ruimte. En, ongetwijfeld, deze reis door het zonnestelsel zal ons helpen nieuwe ontdekkingen te doen over de heliosfeer die we thuis noemen, de wegen van de ruimte veiliger maken voor toekomstige generaties ruimteverkenners.