Laddade partiklar i jordens atmosfär, som utgör jonosfären, skapa färgband över jordens yta, känd som airglow. IKON, avbildad i denna konstnärs koncept, kommer att studera jonosfären från en höjd av cirka 350 miles för att förstå hur de kombinerade effekterna av markväder och rymdväder påverkar detta joniserade lager av partiklar. Kredit:NASA Goddard's Conceptual Image Lab/B. Monroe
Som jorden, rymden har väder. Förutom istället för virvlande vindar och skyfall av nederbörd, rymdväder definieras av förskjutning av elektriska och magnetiska fält och regn av laddade partiklar. I början av rymden, börjar bara 60 miles över jordens yta, det finns ett lager av atmosfären som skiftar och förändras i samklang med båda typerna av väder.
Ovanför ozonskiktet, jonosfären är en del av jordens atmosfär där partiklar har kokats in i ett hav av elektriskt laddade elektroner och joner av solens strålning. Jonosfären blandas med de allra högsta – och ganska tunna – lagren av jordens neutrala övre atmosfär, gör denna region till ett område som ständigt är i förändring och genomgår push-and-pull mellan jordens förhållanden och de i rymden. Alltmer, dessa lager av nära jordens rymd är en del av den mänskliga domänen, eftersom det inte bara är hem för astronauter, men till radiosignaler som används för att styra flygplan och fartyg, och satelliter som tillhandahåller våra kommunikations- och GPS-system. Att förstå de grundläggande processerna som styr vår övre atmosfär och jonosfär är avgörande för att förbättra situationsmedvetenheten som hjälper till att skydda astronauter, rymdfarkoster och människor på marken.
Två nya NASA-uppdrag samarbetar för att utforska detta föga förstådda område som är nära hemmet men historiskt svårt att observera. Observationer i global skala av lem och disk, eller GULD, instrumentet lanseras ombord på en kommersiell kommunikationssatellit i januari 2018, och Ionospheric Connection Explorer, eller ICON, rymdfarkoster lanseras senare under 2018. Tillsammans de kommer att ge de mest omfattande observationer av jonosfären vi någonsin har haft.
De två uppdragen ger distinkta men kompletterande perspektiv:ICON, i låg omloppsbana om jorden, flyger direkt genom och precis ovanför intressanta regioner, fånga detaljerad fjärrdata och in situ-data om de krafter som formar detta område. GULD, i geostationär bana över västra halvklotet, kommer att bygga upp en heldiskvy av jonosfären och övre atmosfären varje halvtimme, tillhandahålla detaljerade storskaliga mätningar av relaterade processer – en kadens som gör det till det första uppdraget att kunna övervaka det verkliga vädret i den övre atmosfären, snarare än klimatets längre cykler. GOLD kan också fokusera på en snävare region och skanna snabbare, för att komplettera ytterligare forskningsplaner vid behov.
Uppdragen kan liknas vid fotografering vi är bekanta med på jorden. GOLD har specialiserat sig på landskap ur dess synvinkel 22, 000 miles över planetens yta och ICON - på 350 miles över jorden - fångar detaljerade närbilder. Under delar av sin omloppsbana, ICON passerar genom GOLDs synfält och varje uppdrag kommer att få en unik ögonblicksbild av samma region. Denna överlappning i deras data gör det lättare att identifiera vad som orsakade en viss förändring av den övre atmosfären vid en given tidpunkt.
Ett gemensamt mål för uppdragen är att systematiskt mäta väderrelaterade förändringar i den övre atmosfären. För första gången, vi kommer att kunna se hur den övre atmosfären förändras som svar på orkaner och geomagnetiska stormar.
Jonosfären är en region av laddade partiklar i rymden nära jorden som samexisterar med de neutrala gaserna i den övre atmosfären, som ibland formas av väderhändelser i den lägre atmosfären. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/Duberstein
"Vi brukade tro att bara solvind kunde påverka jonosfären, och bara den lägre atmosfären påverkades av markväder, sa Doug Rowland, ICON-uppdragsforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Solvinden är solens konstanta utflöde av laddade partiklar och magnetiserat material. "Men nu ska vi få se hur den energin hänger ihop."
Flera typer av terrestra väderhändelser är av särskilt intresse. Forskare från University of California, Berkeley, till exempel, har utvecklat en teoretisk modell av El Niños återverkningar på jonosfären. Deras modell tyder på att El Niño-driven uppvärmning av Stilla havet orsakar en ökning av vattenånga, vilket i sin tur ökar mängden solenergi som atmosfären absorberar. Den extra värmen får vindmönster att fluktuera och förändra förhållandena i jonosfären. Tropiska cykloner misstänks också ha effekter på jonosfären. Data från ICON och GOLD förväntas svara på dessa frågor och ytterligare avslöja oförutsedda mekanismer i arbetet.
"Det finns enorma vetenskapliga modelleringsinsatser förknippade med båda dessa uppdrag, sa Sarah Jones, GULD-uppdragsforskare vid NASA Goddard. "Vi har redan modeller som är fyllda med riktigt bra vetenskap, men dessa nya mätningar kommer att leda till en bättre förståelse av fysiken i modellerna."
Förutom att arbeta tillsammans för att bestämma hur olika typer av energi flödar genom den övre atmosfären, de två uppdragen har också sina egna forskningsmål. GOLDs vetenskap fokuserar på att observera vad som driver förändring - solen, Jordens magnetfält och den nedre atmosfären - i den övre atmosfären. GOLD är särskilt intresserad av hur den övre atmosfären reagerar på geomagnetiska stormar, som är tillfälliga störningar av jordens magnetfält som utlöses av solaktivitet. Under natten, GOLD undersöker störningar i jonosfären – tät, oförutsägbara bubblor av laddad gas som dyker upp över ekvatorn och tropikerna, ibland stör radiokommunikationen.
Å andra sidan, ICON koncentrerar sig på hur laddade och neutrala gaser i den övre atmosfären beter sig och interagerar. Flera krafter – inklusive skiftningar i neutrala vindar, tryckgradienter och solaktivitet — verkar på jonosfären samtidigt; ICON designades för att studera var och en av dem individuellt, vilket gör det lättare för forskare att belysa orsak-och-verkan-samband.
ICON och GOLD ansluter sig till en liten flotta av rymdfarkoster som studerar ett enormt sammankopplat system från rymden som omger jorden och andra planeter till de yttersta gränserna för solens ständigt flödande strömmar av solvind. Ett tredje uppdrag i flottan – den 16-åriga Thermosphere, Jonosfär, Mesosfärens energi och dynamik, eller TIMED, kommer specifikt att komplettera de nya ansträngningarna att studera den övre atmosfären. TIMED, som lanserades 2001, har inte alla instrument som behövs för att analysera rörelsen av partiklarna i den övre atmosfären som ICON och GOLD bidrar med, men det kan fortfarande ge viktiga mätningar från en tredje utsiktspunkt för att hjälpa forskare att fylla i pusselbitar. Tillsammans kommer de att ge nyckelinformation om hur jordens övre atmosfär ansluter till det dynamiska och komplexa rymdsystemet som fyller vårt solsystem.
