Den 8 december 2017, NASA lanserar Ionospheric Connection Explorer, eller ICON, en satellit i låg omloppsbana som kommer att ge oss ny information om hur jordens atmosfär interagerar med rymden nära jorden – ett ge-och-tag som spelar en stor roll för säkerheten hos våra satelliter och tillförlitligheten hos kommunikationssignaler.

Specifikt, ICON undersöker sambanden mellan den neutrala atmosfären - som sträcker sig härifrån nära ytan till långt ovanför oss, vid kanten av rymden – och den elektriskt laddade delen av atmosfären, kallas jonosfären. Partiklarna i jonosfären bär elektrisk laddning som kan störa kommunikationssignaler, orsaka att satelliter i låg omloppsbana om jorden blir elektriskt laddade, och, i extrema fall, orsaka strömavbrott på marken. Placerad på kanten av rymden och blandad med den neutrala atmosfären, jonosfärens svar på förhållandena på jorden och i rymden är svårt att fastställa.

"Förhållandena i vår rymdmiljö - rymdväder - är något vi behöver för att kunna förutse, sa Thomas Immel, huvudutredare för ICON-uppdraget från University of California, Berkeley."Det är svårt att förutsäga förhållanden i jonosfären i morgon baserat på vad vi mäter idag."

Jordens gränssnitt mot rymden

När man går högre och högre över jordens yta, atmosfären blir gradvis tunnare. Effekterna av dessa förändringar kan märkas bara några mil över havet – till exempel, klättrare på några av världens högsta berg måste ofta använda syretankar för att andas. Men ännu högre, cirka 60 miles över jordens yta, atmosfären blir så tunn att flygplan inte kan flyga. Det är här rymden börjar.

Även bortom denna rymdens gräns, Jordens atmosfär fortsätter att sträcka sig uppåt – den blir bara tunnare och tunnare ju högre du kommer. Denna region ligger ovanför jordens ozonskikt, så det utsätts för den fulla bördan av solens strålning. Den starka ultravioletta strålningen bryts ner stabilt, neutrala molekyler, ändra dem från något som liknar luften vi andas till mer reaktiva former av gas, som atomärt syre. Dessa reaktiva föreningar i den neutrala övre atmosfären ger en svag, global glöd, kallas luftglöd.

Men solljuset slutar inte där. Det fortsätter att bryta isär dessa atmosfäriska molekyler, slå av elektroner, som lämnar ett hav av laddade elektroner och joner. Denna population av elektriskt laddade partiklar är jonosfären, och den finns i samma utrymme som den extremt tunna neutrala övre atmosfären.

Detta gör vårt gränssnitt till rymden till en unik region, där laddade och neutrala gaser samexisterar. Den formas både av vädermönster och vindar från jorden under, och skiftande elektriska och magnetiska fält och rymdväder från ovan.

"ICON syftar till att förstå hur jordens väder förändrar rymdvädret, sa Doug Rowland, uppdragsforskare för ICON vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi tittar på hur vädret vi lever i - regn, värme, snö, åskväder, orkaner - påverkar rymdmiljön ovanför oss."

Rymdvädret utlöses ofta av förändringar på solen, som frigör ett konstant utflöde av magnetiserat material som kallas solvinden tillsammans med mindre frekventa men mer intensiva utbrott av solmaterial, kallas koronala massutstötningar. De magnetiska fälten inbäddade i detta solmaterial kan deformera jordens naturliga magnetfält, skapar skiftande elektriska och magnetiska fält i rymden nära jorden. Den elektriskt laddade gasen i jonosfären, kallas plasma, reagerar unikt på dessa föränderliga elektriska och magnetiska fält.

Många satelliter som kretsar lågt om jorden, inklusive den internationella rymdstationen, flyga genom jonosfären. Det fungerar också som en kanal för många av våra kommunikationssignaler, som radiovågor och signalerna som får GPS-system att fungera. Oförutsedda förändringar i jonosfären, som krusningar och bubblor av tät plasma, kan ha betydande effekter på vår teknik och kommunikation.

"Kortvågiga radiovågor studsar från jonosfären, och signaler från GPS-satelliter måste passera, ", sa Immel. "Förändringarna i täthet påverkar direkt kommunikation och navigering."

Att förstå detaljerna i vad som påverkar jonosfären och orsakar signalstörningar har historiskt sett varit svårt, delvis på grund av mängden faktorer som kan förändra jonosfären. I årtionden, forskare trodde att jonosfären bara svarade på de förändrade förhållandena i rymden. Ny data under de senaste decennierna, dock, har bevisat att antagandet är felaktigt, och avslöjade att det fortfarande finns mycket att lära om krafterna som formar jonosfären.

"Vad vi upptäckte, använder data från ett NASA-uppdrag som heter IMAGE, var att denna region av den övre atmosfären och jonosfären faktiskt reagerade på effekter relaterade till vädersystem nära jordens yta, " sa Scott England, ICON-projektforskare baserad på Virginia Tech i Blacksburg. BILD, förkortning för Imager för Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, studerade jordens magnetosfär från 2000 till 2005. "Detta var verkligen oväntat vid den tiden, för att se ett samband. Där de laddade partiklarna fanns, hur många det var, hur tät gasen var - de reagerade på vädermönster nära jordens yta."

Fickor med högt eller lågt tryck produceras nära jordens yta av orkaner, åskväder, eller till och med fenomen så enkla som en stadig vind över en bergskedja. Dessa tryckskillnader kan fortplanta sig till de allra högsta delarna av den övre atmosfären och påverka vindarna i denna region. Den exakta rollen som dessa vindar – och i förlängningen, terrestriskt väder – lek i att forma jonosfären är en enastående fråga, och en som forskarna hoppas att ICON ska svara på.

"Vi tror att vindarna kommer att vara direkt relaterade till det elektriska fältet som mäts vid rymdfarkosten, men vi vet inte, " sa Immel. "Ingen har någonsin gjort den här mätningen, så ingen vet vad vi kommer att se."

Ögon på jonosfären

ICON utforskar dessa samband mellan den neutrala atmosfären och den elektriskt laddade jonosfären med fyra instrument. Tre av dessa fyra instrument förlitar sig på ett av den övre atmosfärens mer spektakulära fenomen:luftglöd.

Airglow skapas av en liknande process som skapar norrskenet:gas exciteras och avger ljus. Även om norrsken vanligtvis är begränsade till extrema nordliga och södra breddgrader, luftglöd händer konstant över hela världen, och det är mycket svagare. Men det är fortfarande tillräckligt ljust för att ICONs instrument ska bygga upp en bild av densiteten, jonosfärens sammansättning och struktur.

Ett av dessa luftglödmätande instrument är MIGHTI, förkortning för Michelson Interferometer för Global High-Resolution Thermospheric Imaging. Designad och byggd av Naval Research Lab i Washington, D.C., MIGHTI mäter dopplerförskjutningen av de glödande gaserna i den övre atmosfären och jonosfären.

"Dopplerskiftet är samma process som du kan höra när du hör en siren på en ambulans:den har en annan tonhöjd när ambulansen kommer mot dig, jämfört med att flytta bort från dig, sade England. Samma sak händer med ljuset från luftglöden.

När gas som producerar luftglöd rör sig mot eller bort från ICON, drivs av vindar, våglängderna sträcks ut eller komprimeras. Eftersom forskare vet vilka kemiska arter som producerar luftglöd i den övre atmosfären, de vet mycket specifikt vilken våglängd – eller färg – det ljuset ska ha. Det Doppler-skiftade ljuset har en allt så lite annorlunda nyans som MIGHTI kan upptäcka, och därifrån, forskare kan härleda hastigheten och riktningen för vindarna i denna region.

Instrument som liknar MIGHTI har flugit på rymduppdrag tidigare, men med en viktig skillnad. Tidigare rymdbaserade interferometrar skulle använda rörliga delar för att ändra avståndet mellan olika reflektorer och detektorer för att mäta varje ljusvåglängd. Men MIGHTI använder ett verktyg som kallas ett diffraktionsgitter - liknande en spegel med linjer etsade i den som reflekterar ljus på ett visst sätt - för att separera ljuset som det ser i dess komponentvåglängder samtidigt. Detta betyder att MIGHTI kan mäta flera våglängder samtidigt, gör instrumentet känsligare.

"KAN jag mäta förändringar i vindhastigheten på cirka 10 miles per timme, " sa England. "Om du översätter det till den faktiska förändringen i våglängden, det är en förändring på cirka 1 på 100 miljoner."

Ett annat luftglödsinstrument, instrumentet Far Ultraviolet, använder en avancerad teknik för bortskärning som kallas tidsfördröjningsintegration för att skicka tillbaka mer information till forskare inom rymdfarkostens begränsningar för databandbredd.

"Vi har bandbredden för att skicka ner en ögonblicksbild var 12:e sekund, men rymdfarkosten rör sig ungefär hundra kilometer under den tiden, och strukturerna vi vill titta på är bara några kilometer breda, sade Rowland. "Du skulle smeta ut alla dessa småskaliga strukturer."

Vad Far Ultraviolet-instrumentet gör istället, sa Rowland, är att ta åtta ögonblicksbilder per sekund – nästan hundra gånger så mycket data som ICON kan skicka ner – och kombinera dem, med var och en förskjuten på lämpligt sätt för att ta hänsyn till skevhet och rymdfarkostens geometri. Denna bearbetning, vilket allt händer på ICONs inbyggda dator, skapar en enda bild som kan skickas tillbaka till jorden inom den tilldelade bandbredden. Detta kombinerar fördelarna med en lång exponering genom att komprimera data, samtidigt som de behåller det skarpa fokus som ger forskarna en detaljerad titt på de strukturer de är intresserade av. Våglängderna som mäts av FUV produceras av vissa typer av syre- och kvävemolekyler på jordens dagsida, samt syrejoner på jordens nattsida.

ICONs tredje luftglödsinstrument, EUV – förkortning för Extreme Ultraviolet instrument – ​​mäter kortare ljusvåglängder än FUV. Luftglöd mätt med EUV produceras av syrejoner på jordens dagsida, som utgör lejonparten av jordens jonosfär dagtid. EUV:s data kommer att avslöja detaljer om jonosfärens struktur under dagen – som hur långt den sträcker sig, och där fickor med tätare plasma bildas – det kan förändra jonosfärens interaktion med kommunikationssignaler och satelliter.

Medan ICONs tre luftglödsinstrument mäter temperaturen, hastighet och sammansättning av gaser mil bort från rymdfarkosten, ett par identiska in situ-instrument kännetecknar den laddade gasen runt rymdfarkosten. De två jonhastighetsmätarna, eller IVM, göra mycket exakta mätningar av vinkeln med vilken joniserad gas kommer in i instrumentet, hjälpa forskare att förstå hur denna joniserade gas runt rymdfarkosten rör sig.

Förr, forskare kan ha varit tvungna att kombinera instrument från olika rymdfarkoster – ibland till och med från olika år – för att försöka skapa kopplingar mellan den lägre atmosfären, neutral övre atmosfär och jonosfär. Men ett av ICONs främsta framsteg är kombinationen av data från dess fyra instrument på samma plats och tid

"Det unika är instrumentsviten, sa Ellen Taylor, ICON projektsystemingenjör vid UC Berkeley. "ICON har flera instrument som har flugit tidigare, men de sätts ihop till en nyttolastsvit för att göra unika mätningar."

ICONs omloppsbana är också utformad för att skapa några punkter under varje omloppsbana där fjärravkänningsinstrumenten tittar rakt ner i jordens magnetfält. Det betyder att rymdfarkostens in situ plasmamätningar ibland är direkt magnetiskt kopplade till fjärrmätningarna av luftglöd, även om de är hundratals mil ifrån varandra.

ICONs data kommer att kompletteras med lanseringen av GOLD-instrumentet i januari 2019, 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.

Efter lanseringen, 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.