Time -lapse för Super Soaker -lanseringen. Tre raketer som lanserades med uppdraget, två använder ångspårare för att spåra vindrörelser och en släpper ut en vattenbehållare för att fröa ett polärt mesosfäriskt moln. Den gröna laserstrålen som är synlig längst upp till vänster är LIDAR -strålen som används för att mäta det konstgjorda molnet. Kredit:NASA:s Wallops Flight Facility/Poker Flat Research Range/Zayn Roohi
Sedan slutet av 1800 -talet har observatörer har letat efter polarhimlen efter svårfångade, högflygande moln som lyser i mörkret. Dessa polära mesosfäriska moln, eller PMC, är kluriga svärmar av iskristaller som bildas på senvåren och sommaren över nord- och sydpolen. Observatörer ser dem bäst i skymningstimmarna, när solen upplyser dem från bortom horisonten mot en mörk himmel. Mer än bara en vacker syn, de har också ledtrådar till vad som händer i jordens atmosfär.
"Det som har väckt stort intresse för dessa moln är deras känslighet - de förekommer precis vid kanten av livskraft i den övre atmosfären, där det är otroligt torrt och otroligt kallt, "sade Richard Collins, rymdfysiker vid University of Alaska, Fairbanks och huvudförfattare till tidningen. "De är en mycket känslig indikator på förändringar i den övre atmosfären - förändringar i temperatur och/eller förändringar i vattenånga."
Collins och hans medarbetare misstänkte att PMC kan associeras med kylning i övre atmosfären - och han gav sig ut för att försöka förstå processens mikrofysik. I en ny artikel publicerad i Journal of Geophysical Research , de delade resultat från NASA:s Super Soaker -uppdrag, en liten suborbitalraket som lanserades i Alaska, visar att vattenånga i vår övre atmosfär snabbt kan sänka omgivningstemperaturen och initiera ett av dessa starkt lysande moln.
För att testa detta, de bestämde sig för att släppa ut en liten mängd vatten och skapa sin egen PMC. De lanserade specifikt vid en tidpunkt - januari i Arktis - vilket vanligtvis är ogästvänligt för bildandet av PMC, i hopp om att de ändå kunde katalysera en.
"Vi ville se till att undvika att blanda artificiellt skapade och naturligt förekommande PMC, "sade Irfan Azeem, rymdfysiker på Astra, LLC i Louisville, Colorado och huvudutredare för Super Soaker -uppdraget. "På det sättet kunde vi vara säkra på att alla PMC som vi observerade kunde hänföras till Super Soaker -experimentet."
Polära mesosfäriska moln fångade av Expedition 31 besättning från International Space Station den 13 juni, 2012. Kredit:NASA:s Johnson Space Center/International Space Station
Super Soaker -raketen skjuts upp tidigt på morgonen den 26 januari, 2018, från Poker Flat -forskningssortimentet i Fairbanks, Alaska. Det nådde en höjd av cirka 53 miles när laget utlöste explosionen av deras burk på cirka 485 pund vatten. Arton sekunder senare, strålen från en markbaserad laserradar detekterade det svaga ekot från en PMC.
Forskarna kopplade dessa mätningar till en modell som simulerade PMC -produktion. De ville veta hur luften där vattnet släpptes skulle ha behövt förändras för att skapa en PMC som den som de observerade.
"Vi har inga direkta temperaturmätningar av molnet, men vi kan dra slutsatsen att temperaturförändringen baseras på vad vi tror krävs för att molnet ska bildas, "Sa Collins.
Modellen visade att betydande kylning måste ha skett. "Det enda sättet med den närvarande mängden vatten som vi kunde få en molnform var att säga att i molnets kropp, det var ett temperaturfall - cirka 45 grader Fahrenheit (25 grader Celsius) i temperatur. "Helt enkelt introducera vatten till regionen, resultaten föreslagna, ledde till ett betydande lokalt temperaturfall.
"Det här är första gången någon har experimentellt visat att PMC -bildning i mesosfären är direkt kopplad till kylning av själva vattenånga, "Sa Azeem.
Ett marktest av vattenbehållarens släpp. Kredit:NASA:s Wallops Flight Facility
Tidningen fortsätter att koppla resultaten till verkligheten i rymdtrafik, eftersom vattenånga är en vanlig biprodukt av satelliter och raketuppskjutningar. Under rymdfärjans dagar, till exempel, en enda lansering var ansvarig för cirka 20% av PMC -ismassan som observerades under en säsong.
Men mer vattenånga betyder inte att temperaturen sjunker utan gränser, Collins förklarar. PMC fungerar som en termostat. När vattenånga fryser, det blir till iskristaller. Men dessa iskristaller absorberar värme ännu bättre än vatten i ångform. När iskristallerna värms upp, de sublimerar så småningom tillbaka till ånga, och cykeln upprepas.
"Och så är det ett jojo fram och tillbaka, reglera temperaturen på förändringen som produceras av den injicerade vattenånga, "Sa Collins.
Fortfarande, ökad vattenånga påverkar hur och när PMC bildas. För dem som vill förutsäga PMC -bildning, att hålla koll på både naturlig och mänskligt injicerad vattenånga kommer att vara nyckeln till framgång.
"Det beror på mängden rymdtrafik, om vad som händer om vattenångbudgeten där uppe ökar, "Collins sa." Om vi hade en stor mängd ny trafik befinner vi oss inte längre i en naturlig miljö och vi skulle behöva börja modellera detta. "
