Un team di scienziati e ingegneri della NASA ora crede di poter sfruttare i recenti progressi in uno strumento di rilevamento delle serre per costruire il primo lidar di sodio spaziale al mondo per studiare la mesosfera poco conosciuta della Terra.

Lo scienziato Diego Janches e gli esperti di laser Mike Krainak e Tony Yu, tutti lavorano al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, stanno conducendo uno sforzo di ricerca e sviluppo per far progredire ulteriormente il lidar di sodio, che il gruppo prevede di schierare sulla Stazione Spaziale Internazionale se riuscirà a dimostrare la sua idoneità al volo.

Il Center Innovation Fund della NASA e i programmi Heliophysics Technology and Instrument Development for Science stanno ora finanziando la maturazione dello strumento. Però, il concetto fa risalire la sua eredità in parte ai passati investimenti della NASA in promettenti strumenti lidar, chiamati Sirene, originariamente creato per misurare l'anidride carbonica e il metano nell'atmosfera terrestre.

Dal suo ormeggio sull'avamposto orbitante, lo strumento illuminerebbe la complessa relazione tra la chimica e la dinamica della mesosfera che si trova a 40-100 miglia sopra la superficie terrestre, la regione in cui l'atmosfera terrestre incontra il vuoto dello spazio.

Dati i progressi compiuti dai ricercatori con gli strumenti sonori per l'osservazione della Terra, insieme all'eredità di Goddard nella tecnologia laser, sono ottimisti sul successo finale dello strumento.

La grande leva

"Quello che stiamo facendo è sfruttare ciò che abbiamo imparato con i rilevatori di CO2 e metano, " ha detto Krainak. Entrambi gli strumenti hanno dimostrato in più campagne aeree che misurano con precisione i gas serra usando il lidar.

Lidar comporta l'emissione di una luce laser dalla superficie terrestre. Come tutti i gas atmosferici, anidride carbonica e metano assorbono la luce in bande di lunghezza d'onda strette. Sintonizzando il laser su quelle linee di assorbimento, gli scienziati possono rilevare e quindi analizzare il livello dei gas in quel percorso verticale. Più gas lungo il percorso della luce, più profonde sono le linee di assorbimento.

"Lo stesso principio si applica qui, " ha detto Janches. "Invece di anidride carbonica e metano, stiamo rilevando il sodio a causa di ciò che può dirci sulle dinamiche su piccola scala che si verificano nella mesosfera".

Il sodio, il sesto elemento più abbondante nella crosta terrestre, è un utile tracciante per caratterizzare la mesosfera. Sebbene questo strato atmosferico contenga altri granuli di metalli, compreso il ferro, magnesio, calcio, e il potassio, tutto prodotto dall'evaporazione della polvere extraterrestre quando incontra l'atmosfera terrestre, il sodio è più facile da rilevare. Letteralmente, uno strato di sodio esiste nella mesosfera.

A causa della sua relativa abbondanza, il sodio fornisce dati ad alta risoluzione che possono rivelare maggiori informazioni sulle dinamiche su piccola scala che si verificano nell'alta atmosfera. Da questa, gli scienziati possono imparare di più su come il tempo nella bassa atmosfera influenza il confine tra l'atmosfera e lo spazio.

Il gruppo ha iniziato a sviluppare il suo strumento, che è sintonizzato elettronicamente sulla gamma di 589 nanometri, o luce gialla. Mentre in orbita, il lidar farebbe pulsare rapidamente la luce nello strato mesosferico, giù da uno a tre chilometri su un'andana che misura da quattro a otto chilometri di larghezza.

L'interazione della luce con le particelle di sodio le farebbe brillare o risuonare. Rilevando il ritorno di fiamma, lo spettrometro di bordo del lidar analizzerebbe la luce per determinare quanto sodio risiedeva nella mesosfera, la sua temperatura, e la velocità con cui le particelle si muovevano.

Gli scienziati hanno usato i lidar di sodio nelle misurazioni a terra per almeno quattro decenni, ma non hanno mai raccolto misurazioni dallo spazio. Di conseguenza, i dati sono limitati nel tempo e nello spazio e non offrono un quadro globale delle dinamiche. Con un lidar di sodio spaziale appositamente progettato, però, gli scienziati sarebbero in grado di illuminare aree specifiche, rivelando le dinamiche su piccola scala che attualmente sono la più grande incognita, ha detto Janches.

Il team utilizzerà i finanziamenti della NASA per mettere a punto la tecnologia che blocca il lidar sulle linee del sodio. "È come una corda di chitarra, " spiegò Krainak. "Se vuoi un certo tono, è necessario bloccare la stringa a una lunghezza particolare. È la stessa cosa con la lunghezza della cavità laser."

Il team prevede inoltre di dimostrare un'unità di test di ingegneria testata a livello ambientale del laser, migliorando così il suo livello di prontezza tecnologica a sei, il che significa che la tecnologia è pronta per lo sviluppo del volo.

"Abbiamo fatto progressi significativi sul laser, " Krainak ha detto. "Se vinciamo, potremmo essere il primo spettrometro laser al sodio spaziale per il telerilevamento".