Solljus som färdas genom atmosfären blir polariserat på olika sätt eftersom det sprids av vattenånga, is, aerosoler skapade av levande organismer, damm, och andra partiklar.

Att mäta att polarisering låter forskare extrapolera vad som finns i atmosfären, och nästa generations polarimetrar för jobbet skulle kunna dra nytta av en ny teknik utvecklad av forskare vid Harvard University, Cambridge, Massachusetts.

Jordforskaren Kerry Meyer vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, arbetar med Harvard-partners för att utveckla en vetenskaplig användning för deras "metasurface"-teknologi. Med en platt optisk komponent, Tekniken kan analysera ljus längs fyra polarisationsriktningar, möjliggör en fullständig karaktärisering av ljusets polariserade tillstånd:intensitet, linjär polarisation (horisontell och vertikal), och cirkulär polarisering.

"Fram till nyligen, polarimetrar har varit ganska stora instrument, och beroende på mätstrategin, kan involvera många rörliga delar och olika optik, ", sade Meyer. "Denna metasurface-teknik delar upp den inkommande signalen i alla fyra tillstånden."

Utan de rörliga delarna, denna teknik kan möjliggöra polarimetri i små satelliter som SmallSats och CubeSats men kan också skalas upp för användning på större uppdrag till en betydande kostnad, volym, vikt- och energibesparingar jämfört med befintlig teknik.

Medan Harvard-tekniken fortfarande är i tidig utveckling, Goddard-forskaren Dan Miller sa att en typ av polarimeter förväntas flyga som en del av NASA:s planerade Earth System Observatory på Aerosol, Moln, Convection and Precipitation (ACCP) uppdrag rekommenderas i 2017 Earth Decadal Survey.

Förväntas gå i utveckling i år, detta uppdrag skulle, bland annat, kombinera polarimetri med lidardata för att ge nya insikter om molnen och partiklarna i atmosfären och hur de påverkar livet på jorden. Lidar betyder Light Detection and Ranging och det är en fjärranalysmetod som använder ljus i form av en pulsad laser för att mäta varierande avstånd till jorden.

"Kombinationen av en lidar och en polarimeter i omloppsbana, observerar samma mål, berättar både vad du tittar på och den vertikala fördelningen – var den är i atmosfären, sa Miller.

Partnerskapet gav Harvard-postdoktorn Noah Rubin värdefull insikt i vetenskapens användningsfall för hans teknologi.

"Att arbeta med våra nya kollegor på NASA har varit fantastiskt, ", sa Rubin. "Mitt team på Harvard var i första hand angelägna om ny fysik och optisk teknologi som möjliggörs genom att styra ljus i nanoskala. Det är ovanligt, dock, att vi får chansen att interagera med potentiella slutanvändare på ett så direkt sätt, för att inte tala om i ett så tidigt skede i en ny tekniks utveckling."

För jordforskaren Ed Nowottnick, Harvard-tekniken gör distribuerade observationer av moln och aerosoliserade partiklar ett steg närmare verkligheten.

"Jag kunde se att flyga den här sensorn i rymden som en konstellation, " sa han. "Om du kunde sätta upp flera kopior, du kan förbättra din täckning över tiden. Sedan, du kommer verkligen långt mot att förstå atmosfäriska processer."

Utbetalningar skulle innefatta bättre väderprognoser, aerosolpartiklar, och moln, samt en starkare förståelse för hur klimatförändringar kan påverka dessa processer i framtiden.