En kall morgon i början av december, ett team av NASA-raketforskare kommer att krypa ihop sig i kontrollrummet i Ny-Ålesund, Svalbard, en avlägsen skärgård utanför Norges norra kust. Här vid världens nordligaste raketräckvidd, drivs av Norges Andøya Space Center, klockan kan stå 8 på morgonen, men solen kommer inte att gå upp - vid den tiden, den kommer inte att ha kikat över horisonten på mer än en månad.

För en månads tid, Ny-Ålesund kommer att vara hem för raketteamet bakom NASA:s VISIONS-2-uppdrag, förkortning för Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2. De har vågat sig till denna extrema plats för en närmare titt på atmosfärisk flykt, den process där jorden långsamt läcker ut sin atmosfär ut i rymden. Att förstå atmosfärisk flykt på jorden har tillämpningar över hela universum - från att förutsäga vilka långt borta planeter som kan vara beboeliga, att sätta ihop hur Mars blev den öde, utsatt landskap det är idag. VISIONS-2 är planerad att lanseras tidigast den 4 december, 2018.

Leds av Doug Rowland från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, VISIONS-2 är ett klingande raketuppdrag, en typ av suborbital raket som gör kort, riktade flygningar ut i rymden innan de faller tillbaka till jorden bara några minuter senare. Sondraketer är unika bland vetenskapliga rymdfarkoster för sin överlägsna skicklighet:de kan transporteras till avlägsna platser, där de riktas och skjuts in i kortlivade händelser – som den plötsliga bildningen av norrskenet – med ett ögonblicks varsel.

Aurora borealis är av stort intresse för VISIONS-2-teamet, men inte bara för dess utomjordiska glöd. Norrskensspelet är grundläggande drivkrafter i processen för atmosfärisk flykt, varvid planeter, inklusive jorden, gradvis läcka sin atmosfär ut i rymden.

"Jorden går ner i vikt, sa Thomas Moore, en Goddard rymdfysiker som är specialiserad på atmosfärisk flykt. "Det har gjorts tillräckligt många observationer för att veta att allt från hundra till flera hundra ton atmosfär kommer ut i rymden varje dag."

(Oroa dig inte – i den takten, Moore uppskattar, Jorden kommer att behålla sin atmosfär i en miljard eller så år.)

Vi har misstänkt att jorden höll på att förlora atmosfär sedan åtminstone 1904, när Sir James Jeans först publicerade sitt verk The Dynamical Theory of Gases, lägga de teoretiska grunderna för atmosfärisk flykt. Men det finns ett element som rinner bort som fortfarande är ett mysterium. Forskare hade länge trott att syre, väger in 16 gånger massan av väte, var för tung för att undkomma jordens gravitation.

"För att fly jorden, syre skulle kräva ungefär 100 gånger den energi som det vanligtvis har, sa Rowland, uppdragets huvudutredare. "Bara den minsta bråkdelen borde någonsin klara sig." Men när forskare äntligen gick upp och tittade på 60- och 70-talen, det var inte vad de hittade. Faktiskt, rymden nära jorden kryllar av mycket mer jordburet syre än någon hade förväntat sig.

"Men hur hamnade det där uppe? Du behöver processer som aktiverar det syret tillräckligt för att fly, sa Rowland.

Norrsken, det visar sig, är en sådan process. Norrskenet bildas när energiska elektroner, accelereras i de elektriska och magnetiska fälten i rymden nära jorden, krascha in i och excitera atmosfäriska gaser, som avger ljusa nyanser av rött, grön, och gula när de slappnar av tillbaka till ett lägre energitillstånd. Men dessa oregerliga elektroner skapar också en kaskad av förödelse i processen, inklusive att driva elektriska strömmar som värmer den övre atmosfären i fläckiga fläckar. I vissa fall, att uppvärmning är tillräcklig för att ge herrelösa syreatomer tillräckligt med energi för att fly. "Det är som att lägga ett värmeelement i din soppa - så småningom, det kommer att börja koka, sa Rowland.

VISIONS-1, det nuvarande uppdragets föregångare, lanserades från Poker Flat Research Range i Alaska 2013, där de studerade syreutflödet från norrsken som bildas på jordens nattsida, den del av planeten som tillfälligt pekar bort från solen. För uppdraget VISIONS-2, teamet kommer att resa till en unik del av världen där norrsken kan hittas.

En gång om dagen, Svalbard passerar under en ovanlig egenskap i jordens magnetosfär som kallas polarkuspen. Polarkusparna bildas vid både nord- och sydpolen på den solvända sidan av planeten, och de är de enda platserna där partiklar från solvinden kan strömma direkt in i vår atmosfär. Kussarna är som magnetiska broar mellan jorden och rymden, där energiska elektroner från solen kraschar in i atmosfäriska partiklar och skapar ett norrsken.

VISIONS-2 kommer att flyga två raketer in i den norra polarkuspen, där den kommer att använda en avbildningsteknik för att kartlägga syreutflödet från norrskenet. Genom att använda denna teknik, VISIONS-2 tar ett annat tillvägagångssätt än många andra uppdrag, som försöker kombinera data från många utflödeshändelser. Istället, VISIONS-2 hoppas kunna skaffa en hel del data om en enda syreutflödeshändelse. Alla utflödeshändelser är inte desamma, men att förstå en i detalj skulle ge betydande vetenskapligt värde.

"Det är som om du försöker studera tornados, du kan bara mäta vindarna när olika tornados flyger förbi på olika avstånd från ditt hus, " sa Rowland. "Du skulle få en bild av hur en "genomsnittlig" tromb ser ut. Vad vi istället vill göra är att heltäckande observera en tornado, för att förstå hur det fungerar i detalj."

VISIONS-2 handlar om att kontrollera om och hur processen för uppvärmning och energitillförsel av syre på norrskenet på dagen – inom den polära spetsen – är densamma som de som upptäckts på nattsidan. Det är långt ifrån en självklarhet, eftersom dagsidan och nattsidan visar några markanta skillnader.

"Jonutflödet i cusp är mer stabilt och lägre energi, medan det på natten är mer sprucket och kan vara högre energi, " Rowland förklarade. "Dessutom, miljön är annorlunda mellan cusp och nightside, så vi letar efter likheter och skillnader."

VISIONS-2 kommer inte att vara den enda raketen att skjuta upp från denna avlägsna plats:Det är den första av nio sonande raketer som skjuts upp under de kommande 14 månaderna som en del av Grand Challenge Initiative—Cusp. Ritar forskare från USA, Kanada, Norge, Storbritannien och Japan, Grand Challenge är ett internationellt samarbete för att utforska den norra polarkusten, förhoppningsvis knäcker koden för denna ovanliga portal mellan jorden och rymden.

VISIONS-2 är planerad att starta från Ny-Ålesund, Svalbards raketräckvidd i december 2018. Uppskjutningsfönstret sträcker sig från 4 till 18 december.