Mycket har förändrats tekniskt sedan NASA:s Galileo-uppdrag släppte en sond i Jupiters atmosfär för att undersöka, bland annat, värmemotorn som driver gasjättens atmosfäriska cirkulation.

En NASA-forskare och hans team vid Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, drar fördel av dessa framsteg för att mogna en mindre, mer kapabel nettoflödesradiometer. Den här typen av instrument berättar för forskare var uppvärmning och kylning sker i en planets atmosfär och definierar rollerna för solenergi och interna värmekällor som bidrar till atmosfäriska rörelser. Nästa generations radiometer utvecklas specifikt för att studera atmosfärerna i Uranus eller Neptunus, men kan användas på alla mål med en atmosfär.

Av alla planeter i solsystemet, endast Uranus och Neptunus – kallade isjättarna eftersom de mestadels består av isar – är fortfarande relativt outforskade. Medan Voyager 2 tog bilder av den sjunde och åttonde planeten, den fick inte de hisnande detaljerna som Galileo- och Cassini-uppdragen samlade in om Jupiter och Saturnus. Till och med långt borta Pluto fick en närbild med New Horizons-uppdraget 2015.

Mycket återstår att upptäcka, sa Shahid Aslam, vem leder teamet som utvecklar nästa generations instrument, en insats finansierad av NASA:s Planetary Concepts for the Advancement of Solar System Observations, eller PICASSO, program.

Forskare vet att både Uranus och Neptunus är värd för en slaskig mantel av vatten, ammoniak, och metanisar, medan deras atmosfärer består av molekylärt väte, helium, och metangas. Dock, skillnader finns i dessa kalla yttre jovianska världar.

När temperaturen faller under -333,7 grader Fahrenheit, ammoniakgas fryser till iskristaller och faller ut ur atmosfären på båda planeterna. Metan - en blåfärgad gas - blir dominerande. Medan innehållet av metan i atmosfären är liknande på båda planeterna, de ser olika ut. Uranus ser ut som en dimmig blågrön, medan Neptunus får en mycket djupare färg blått. Någon okänd atmosfärisk beståndsdel tros bidra till Neptunus djupare blå färg, sa Aslam.

Också, Uranus saknar inre värme. Följaktligen, dess moln är kalla och böljar inte över det översta dislagret. Neptunus, å andra sidan, strålar ut lika mycket energi som den tar emot från solen. Denna inre energi ger Neptunus en aktiv, dynamisk atmosfär, kännetecknas av mörka bälten och ljusa moln av metanis och cyklonstormar.

Eftersom NASA aldrig har flugit ett dedikerat uppdrag till isjättarna, detaljer om fysiken som driver dessa atmosfäriska förhållanden förblir svårfångade, sa Aslam.

Han tror att det nya instrumentet kan ge svar.

Det är en efterföljare till ett instrument av liknande typ som samlade in data om Jupiters atmosfäriska förhållanden innan det krossades av Jupiters atmosfärstryck i december 1995. Under den farliga, 58 minuters resa djupt in i planetens atmosfär, Galileos nettoflödesradiometer – en av flera monterade inuti sonden – mätte strålning som nådde planeten från solen ovanför såväl som den termiska strålningen eller värmen som genererades av planeten själv nedanför. Dessa topp- och bottenmätningar hjälpte forskare att beräkna skillnaden mellan de två - ett mått som kallas nettoflöde.

Förutom att ge information om atmosfärisk uppvärmning och kylning, nettoflödesdata visar information om molnlager och deras kemiska sammansättning. "Faktiskt, du kan lära dig mycket av nettoflödesdata, speciellt källor och sänkor för planetarisk strålning, " sa Aslam.

Liksom sin föregångare, Aslams instrument skulle ta ett självmordsdopp genom atmosfären av antingen Uranus eller Neptunus. Men när den kom ner, det skulle samla in information om dessa dåligt förstådda regioner med större noggrannhet och effektivitet, sa Aslam. "Tillgängligt material, filter, elektroniska detektorer, flygdatorer, och datahantering och bearbetning har alla förbättrats. Uppriktigt sagt, vi har bättre teknik hela vägen runt. Det är klart att det är dags att utveckla nästa generation av detta instrument för framtida atmosfäriska inträngssonder, " han sa.

Istället för att använda pyroelektriska detektorer som används på Galileo, till exempel, Aslam tittar på användningen av termopilsensorer, som omvandlar värme eller infraröda våglängder eller värme till elektriska signaler. Fördelen är att termopilkretsar är mindre mottagliga för störningar och elektriskt brus.

Aslams team lägger också till två ytterligare infraröda kanaler för att mäta värme, vilket ger totalt sju, och två ytterligare betraktningsvinklar för att samla dessa våglängder och hjälpa till att modellera ljusspridning. När ljus sprids i ett synfält på grund av interaktioner med aerosoler och ispartiklar, spridningen kan kontaminera mätningar i ett annat synfält. Detta ger forskare en skev bild av vad som händer när de analyserar data.

Vidare, instrumentets snävare synfält kommer att avslöja mer detaljer om planetens molndäck och atmosfäriska lager när instrumentet gör det. Lika viktigt, instrumentet är mindre och dess sensorer använder moderna applikationsspecifika integrerade kretsar som stöder snabb datasampling, sa Aslam.