Mike Krainak (till vänster) och Diego Janches vann nyligen NASA:s uppföljningsfinansiering för att främja en rymdburen natriumlidar som behövs för att undersöka jordens dåligt förstådda mesosfär. Kredit:NASA/W. Hrybyk
Ett team av NASA-forskare och ingenjörer tror nu att de kan dra nytta av de senaste framstegen i ett instrument för att upptäcka växthus för att bygga världens första rymdbaserade natriumlidar för att studera jordens dåligt förstådda mesosfär.
Forskaren Diego Janches och laserexperterna Mike Krainak och Tony Yu, som alla arbetar på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leder ett forsknings- och utvecklingsarbete för att ytterligare främja natriumlidar, som gruppen planerar att placera ut på den internationella rymdstationen om den lyckas bevisa sin flygduglighet.
NASA:s Center Innovation Fund och Heliophysics Technology and Instrument Development for Science-programmen finansierar nu instrumentets mognad. Dock, konceptet spårar sitt arv delvis till NASA:s tidigare investeringar i lovande lidarinstrument, kallade Sounders, ursprungligen skapad för att mäta koldioxid och metan i jordens atmosfär.
Från sin kaj på den kretsande utposten, instrumentet skulle belysa det komplexa förhållandet mellan kemi och dynamik i mesosfären som ligger 40-100 miles ovanför jordens yta – regionen där jordens atmosfär möter rymdens vakuum.
Med tanke på de framsteg som forskarna har gjort med de jordobserverande ljudinstrumenten, tillsammans med Goddards arv inom laserteknik, de är optimistiska om instrumentets slutgiltiga framgång.
Den stora hävstången
"Vad vi gör är att dra nytta av det vi lärt oss med CO2- och metanekolod, ", sa Krainak. Båda instrumenten har visat i flera flygplanskampanjer att de exakt mäter växthusgaser med hjälp av lidar.
Lidar går ut på att pulsera ett laserljus från jordens yta. Som alla atmosfäriska gaser, koldioxid och metan absorberar ljuset i smala våglängdsband. Genom att ställa in lasern över dessa absorptionslinjer, forskare kan upptäcka och sedan analysera nivån av gaser i den vertikala banan. Ju mer gas längs ljusets väg, desto djupare blir absorptionslinjerna.
Med finansiering från NASAs teknikutveckling, ett Goddard-team av forskare och ingenjörer kommer att utveckla ett natriumlidarinstrument för användning i rymden. Den här bilden visar laboratoriets brödbräda. Kredit:NASA/W. Hrybyk
"Samma princip gäller här, ", sa Janches. "Istället för koldioxid och metan, vi upptäcker natrium på grund av vad det kan berätta om den småskaliga dynamiken som förekommer i mesosfären."
Natrium – det sjätte vanligaste grundämnet i jordskorpan – är ett användbart spårämne för att karakterisera mesosfären. Även om detta atmosfäriska skikt innehåller andra granuler av metaller, inklusive järn, magnesium, kalcium, och kalium – allt producerat genom avdunstning av utomjordiskt damm när det möter jordens atmosfär – natrium är lättast att upptäcka. Bokstavligen, ett lager av natrium finns i mesosfären.
På grund av dess relativa överflöd, natrium ger högre upplösningsdata som kan avslöja mer information om den småskaliga dynamiken som förekommer i den övre atmosfären. Från detta, forskare kan lära sig mer om hur vädret i den lägre atmosfären påverkar gränsen mellan atmosfären och rymden.
Gruppen har börjat utveckla sitt instrument, som är elektroniskt inställd på 589-nanometersområdet, eller gult ljus. I omloppsbana, lidaren skulle snabbt pulsera ljuset mot det mesosfäriska lagret, ner en till tre kilometer över en sträcka som mäter fyra till åtta kilometer i bredd.
Ljusets interaktion med natriumpartiklar skulle få dem att glöda eller resonera. Genom att upptäcka glöden tillbaka, Lidars inbyggda spektrometer skulle analysera ljuset för att bestämma hur mycket natrium som fanns i mesosfären, dess temperatur, och hastigheten med vilken partiklarna rörde sig.
Forskare har använt natriumlidarer i markbaserade mätningar i minst fyra decennier, men de har aldrig samlat in mått från rymden. Som ett resultat, data är begränsade i tid och rum och ger ingen global bild av dynamiken. Med en specialdesignad rymdburen natriumlidar, dock, forskare skulle kunna belysa specifika områden, avslöjar den småskaliga dynamiken som för närvarande är den största okända, sa Janches.
Teamet kommer att använda NASA:s finansiering för att finjustera tekniken som låser lidaren på natriumlinjerna. "Det är som en gitarrsträng, " förklarade Krainak. "Om du vill ha en viss ton, du måste låsa snöret i en viss längd. Det är samma sak med laserhålighetens längd."
Teamet planerar också att demonstrera en miljötestad teknisk testenhet av lasern, och därmed förbättra sin teknikberedskapsnivå till sex, vilket gör att tekniken är redo för flygutveckling.
"Vi har gjort betydande framsteg med lasern, " sa Krainak. "Om vi vinner, vi kan bli den första rymdbaserade natriumlaserspektrometern för fjärranalys."
