En hundraårig teknik som forskare använder för att undersöka jonosfären – det viktiga atmosfäriska lagret som kan störa överföringen av radiovågor – blir mindre.

Ett team av NASA-forskare och ingenjörer vid Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, håller på att uppgradera och miniatyrisera elektroniken på ett prototypinstrument, kallad koncentration vs. höjd för ett kretsande elektromagnetiskt ekolod, eller EKO. Enheten skulle kunna användas för att "ljuda" jonosfären från antingen ett markbaserat observatorium eller i slutändan en konstellation av CubeSats.

Det jonosfäriska skiktet, som är elektriskt laddad eller joniserad främst av extrem ultraviolett strålning som kommer från solen under dagen eller genom bombardering av kosmiska strålar under natten, är av intresse för forskare på grund av den roll det spelar i överföringen av radiovågor.

Beroende på koncentrationen av elektroner i jonosfären och frekvensen av radiovågorna, lagret reflekterar radiovågor till jorden, snarare än att låta dem fly ut i rymden. Dock, solstormar, det spontana utbrottet av högenergistrålning från solens yta, kan orsaka en kraftig ökning av antalet joniserade partiklar, vilket ändrar partiklarnas höjd och densitet.

"Gravitationen drar den tätare plasman (joniserad gas) ner mot jorden till lägre höjder som är mindre täta. Detta är en instabil konfiguration, ", sa ECHOES huvudforskare och Goddard-forskaren Mark Adrian. "Denna rörelse leder till en turbulent blandning av jonosfären, inte olikt att hälla grädde i morgonkaffet. Detta producerar densitetsoegentligheter eller strukturer som reflekterar och bryter radiovågor - det vi helt enkelt kallar störningar."

För att bestämma elektrontätheten vertikalt i jonosfären, forskare har länge använt radioljud - i huvudsak, dedikerade radiostationer. En rad olika radiofrekvenser riktas vertikalt till jonosfären och en mottagare samlar sedan in och mäter värdena på de återkommande signalerna eller ekona.

Den omedelbara planen är att använda ECHOES på marken, bidra till ett nätverk av instrument som stödjer förutsägelse av rymdväder och realtidskartering av jonosfären. Dock, instrumenten kan också flyga i rymden, till exempel, i en konstellation av CubeSats som skulle göra samtidiga, flerpunktssonderingar av översidan av jordens omslutande jonosfär, som ligger 46 till cirka 621 miles över jordens yta.

Ljudtekniken är minst ett sekel gammal. Dock, det var inte förrän i rymdålderns gryning som tekniken tillämpades på sondraketer och fullfjädrade satellituppdrag, som den kanadensiskt byggda och NASA-lanserade Alouette 1 1962. På senare tid, NASA lanserade Radio Plasma Imager på ett uppdrag kallat Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, eller BILD. Också, Jet Propulsion Laboratory, i samarbete med sina europeiska partners, tillhandahållit ett annat ekolod, Mars Advanced Radar for Subsurface and Jonospheric Sounding, för Europeiska rymdorganisationens Mars Express-uppdrag.

"I grund och botten, vad vi gör är att miniatyrisera en 100 år gammal radiomottagares signalbehandlingsteknik, " sa ECHOES medföreträdare för utredare Damon Bradley, som ledde utvecklingen av det digitala signalbehandlingssystemet för radiometern på NASAs Soil Moisture Active Passive, eller SMAP-uppdrag, som spårar globala markfuktighetsnivåer. "ECHOES är i grunden en lågfrekvent radar som använder rymdbaserad digital signalbehandling, som på SMAP, men för att sondera jonosfären i motsats till att kartlägga globala markfuktighetsnivåer."

Innan det miniatyriserade instrumentet kan flyga i rymden, dock, teamet måste bevisa att det är kapabelt att erhålla densitetsmätningar i en relevant miljö. Som en del av sin teknikutveckling, teamet planerar att integrera ECHOES elektronik och antennsystem med annan instrumenthårdvara och utföra ett test vid Goddard Geophysical and Astronomical Observatory senare i år.

"En framgångsrik proof-of-concept-demonstration av ECHOES-instrumentet skulle placera Goddard i en unik position för att konkurrera om andra framtida heliofysiska eller planetära möjligheter, särskilt de involverade CubeSat eller små satellitplattformar, sa Adrian.