På gränsen till vår atmosfär lever en tunn grupp säsongsbetonade elektriska blå moln. Formar 50 miles ovanför polerna på sommaren, dessa moln är kända som nattlysande moln eller polära mesosfäriska moln—PMC. Ett nyligen genomfört ballonguppdrag av NASA observerade dessa moln under loppet av fem dagar i deras hem i mesosfären. De resulterande bilderna, som forskare just har börjat analysera, kommer att hjälpa oss att bättre förstå turbulens i atmosfären, liksom i haven, sjöar och andra planetariska atmosfärer, och kan till och med förbättra väderprognoserna.

Den 8 juli, 2018, NASA:s PMC Turbo-uppdrag lanserade en gigantisk ballong för att studera PMC:er på en höjd av 50 miles över ytan. I fem dagar, ballongen flöt genom stratosfären från dess lansering vid Estrange, Sverige, över Arktis till västra Nunavut, Kanada. Under sin flygning, kameror ombord på ballongen fångade 6 miljoner högupplösta bilder som fyllde upp 120 terabyte datalagring - varav de flesta inkluderade en mängd olika PMC-skärmar, avslöjar de processer som leder till turbulens. Forskare börjar nu gå igenom bilderna och den första titten har varit lovande.

"Från vad vi har sett hittills, vi förväntar oss att ha en riktigt spektakulär datauppsättning från detta uppdrag, sa Dave Fritts, huvudutredare för PMC Turbo-uppdraget vid Global Atmospheric Technologies and Sciences i Boulder, Colorado. "Våra kameror kunde troligen fånga några riktigt intressanta händelser och vi hoppas att de kommer att ge ny inblick i denna komplexa dynamik."

Noctilucenta moln smälter samman som iskristaller på små meteorrester i den övre atmosfären. Resultaten ger lysande blå porlande moln som är synliga strax efter att solen gått ner i polarområdena under sommaren. Dessa moln påverkas av det som kallas atmosfäriska gravitationsvågor – orsakade av konvektion och upplyftning av luftmassor, som när luft trycks upp av bergskedjor. Vågorna spelar stora roller för att överföra energi från den lägre atmosfären till mesosfären.

"Det här är första gången vi har kunnat visualisera energiflödet från större gravitationsvågor till mindre flödesinstabiliteter och turbulens i den övre atmosfären, " Sa Fritts. "På dessa höjder kan du bokstavligen se gravitationsvågorna bryta - som havsvågor på stranden - och forsande till turbulens."

PMC Turbo ballongnyttolasten var utrustad med sju specialdesignade bildsystem för att observera molnen. Var och en innehöll en högupplöst kamera, ett datorkontroll- och kommunikationssystem, och 32 terabyte datalagring. De sju bildbehandlingssystemen var arrangerade för att skapa en mosaik av vida vyer som sträcker sig hundra mil tvärs över, med varje smal vy som kan avbilda turbulensfunktioner så små som 20 yards breda. För första gången, en lidar – eller laserradar – mätte de exakta höjderna för PMC:erna såväl som temperaturfluktuationerna för gravitationsvågorna över och under PMC:erna.

"Vi känner till 2D-vågstrukturen från bilderna, men för att fullständigt beskriva vågorna måste vi mäta den tredje dimensionen också, sa Bernd Kaifler, forskaren vid German Aerospace Center, i Wessling, Tyskland, som designade ballongens lidarexperiment. "Från lidarmätningarna, vi kan härleda vågornas vertikala struktur, vilket ger viktiga data som inte skulle ha varit tillgängliga från enbart avbildningsexperimentet."

Att lära sig om orsakerna och effekterna av turbulens kommer att hjälpa forskare att förstå inte bara strukturen och variationen i den övre atmosfären, men även andra områden. Turbulens uppstår i vätskor över hela universum och resultaten kommer att hjälpa forskare att bättre modellera det i alla system. I sista hand, resultaten kommer till och med att hjälpa till att förbättra väderprognosmodellerna.

Att förstå ett brett spektrum av processer i rymden nära jorden – inklusive hur de interagerar med jordens atmosfär och väder – är en viktig del av NASA:s heliofysiska forskning, som anställer en full grupp av satelliter och sub-orbitalinstrument för att observera olika fenomen från olika perspektiv. NASA studerar också nattlysande moln med Aeronomy of Ice in the Mesosphere, eller AIM, rymdskepp, som lanserades 2007 i en låg omloppsbana om jorden. AIM spårar storskaliga funktioner i molnen över en global skala, men kan bara lösa funktioner ett par miles tvärs över. PMC Turbo hjälper till att fylla i detaljerna, förklara vad som händer i mindre skalor där turbulens uppstår.

PMC Turbo nyttolasten återhämtades framgångsrikt från sin landningsplats i kanadensiska Arktis och de återvunna instrumenten förväntas bidra till framtida uppdrag, inklusive en som förväntas flyga nästa december över Antarktis.