L'8 dicembre 2017, La NASA lancia Ionospheric Connection Explorer, o ICONA, un satellite in orbita bassa che ci darà nuove informazioni su come l'atmosfera terrestre interagisce con lo spazio vicino alla Terra, un dare e avere che gioca un ruolo importante nella sicurezza dei nostri satelliti e nell'affidabilità dei segnali di comunicazione.

Nello specifico, ICON indaga le connessioni tra l'atmosfera neutra, che si estende da qui vicino alla superficie fino a molto sopra di noi, ai margini dello spazio e la parte elettricamente carica dell'atmosfera, chiamata ionosfera. Le particelle della ionosfera trasportano cariche elettriche che possono disturbare i segnali di comunicazione, fa sì che i satelliti nell'orbita terrestre bassa si carichino elettricamente, e, in casi estremi, causare interruzioni di corrente a terra. Posizionato ai margini dello spazio e mescolato con l'atmosfera neutra, la risposta della ionosfera alle condizioni sulla Terra e nello spazio è difficile da definire.

"Le condizioni nel nostro ambiente spaziale, il tempo spaziale, sono qualcosa che dobbiamo essere in grado di prevedere, " ha detto Thomas Immel, ricercatore principale per la missione ICON dell'Università della California, Berkeley." È difficile prevedere le condizioni nella ionosfera domani sulla base di ciò che misuriamo oggi."

L'interfaccia della Terra con lo spazio

Man mano che si sale sempre più in alto sopra la superficie terrestre, l'atmosfera si assottiglia gradualmente. Gli effetti di questi cambiamenti possono essere avvertiti a poche miglia sopra il livello del mare, ad esempio, gli scalatori su alcune delle montagne più alte del mondo devono spesso usare bombole di ossigeno per respirare. Ma ancora più in alto, a circa 60 miglia sopra la superficie terrestre, l'atmosfera diventa così sottile che gli aerei non possono volare. È qui che inizia lo spazio.

Anche al di là di questo confine di spazio, L'atmosfera terrestre continua a estendersi verso l'alto:diventa sempre più sottile e tenue man mano che si sale in alto. Questa regione è al di sopra dello strato di ozono terrestre, quindi è esposto a tutto il peso della radiazione solare. La forte radiazione ultravioletta si rompe stabile, molecole neutre, trasformandoli da qualcosa di simile all'aria che respiriamo in forme più reattive di gas, come l'ossigeno atomico. Questi composti reattivi nell'alta atmosfera neutra producono un debole, splendore globale, chiamato airglow.

Ma la luce del sole non si ferma qui. Continua a rompere queste molecole atmosferiche, scaricando gli elettroni, che lascia un mare di elettroni e ioni carichi. Questa popolazione di particelle caricate elettricamente è la ionosfera, ed esiste nello stesso spazio dell'atmosfera superiore neutra estremamente sottile.

Questo rende la nostra interfaccia con lo spazio una regione unica, dove coesistono gas carichi e gas neutri. È modellato sia dai modelli meteorologici che dai venti provenienti dalla Terra sottostante, e spostando i campi elettrici e magnetici e il tempo spaziale dall'alto.

"ICON mira a capire come il tempo della Terra modifica il tempo spaziale, " ha detto Doug Rowland, scienziato di missione per ICON presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Stiamo guardando come il tempo in cui viviamo:pioggia, calore, neve, temporali, uragani:influenza l'ambiente spaziale sopra di noi".

La meteorologia spaziale è spesso innescata da cambiamenti sul Sole, che rilascia un deflusso costante di materiale magnetizzato chiamato vento solare insieme a esplosioni meno frequenti ma più intense di materiale solare, chiamate espulsioni di massa coronale. I campi magnetici incorporati in questo materiale solare possono deformare il campo magnetico naturale della Terra, creando campi elettrici e magnetici mutevoli nello spazio vicino alla Terra. Il gas caricato elettricamente della ionosfera, chiamato plasma, reagisce unicamente a questi mutevoli campi elettrici e magnetici.

Molti satelliti in orbita bassa, compresa la Stazione Spaziale Internazionale, volare attraverso la ionosfera. Funge anche da condotto per molti dei nostri segnali di comunicazione, come le onde radio ei segnali che fanno funzionare i sistemi GPS. Cambiamenti imprevisti nella ionosfera, come increspature e bolle di plasma denso, possono avere impatti significativi sulla nostra tecnologia e comunicazione.

"Le onde radio a onde corte rimbalzano sulla ionosfera, e i segnali dei satelliti GPS devono passare, " ha detto Immel. "I cambiamenti di densità influenzano direttamente le comunicazioni e la navigazione".

Comprendere i dettagli di ciò che influenza la ionosfera e causa le interruzioni del segnale è stato storicamente difficile, in parte a causa della gamma di fattori che possono modificare la ionosfera. Per decenni, gli scienziati pensavano che la ionosfera rispondesse solo alle mutevoli condizioni nello spazio. Nuovi dati negli ultimi decenni, però, ha dimostrato che tale ipotesi era sbagliata, e ha rivelato che c'è ancora molto da imparare sulle forze che modellano la ionosfera.

"Quello che abbiamo scoperto, utilizzando i dati di una missione della NASA chiamata IMAGE, era che questa regione dell'alta atmosfera e della ionosfera stava effettivamente rispondendo agli effetti relativi ai sistemi meteorologici vicino alla superficie terrestre, " ha detto Scott Inghilterra, Scienziato del progetto ICON con sede presso Virginia Tech a Blacksburg. IMMAGINE, abbreviazione di Imager per Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, ha studiato la magnetosfera terrestre dal 2000 al 2005. "All'epoca era davvero inaspettato, per vedere una connessione. Dove erano le particelle cariche, quanti erano, quanto fosse denso il gas:stavano rispondendo ai modelli meteorologici vicino alla superficie della Terra".

Sacche di alta o bassa pressione sono prodotte vicino alla superficie terrestre dagli uragani, temporali, o anche fenomeni semplici come un vento costante su una catena montuosa. Queste differenze di pressione possono propagarsi nei tratti più alti dell'alta atmosfera e influenzare i venti in questa regione. Il ruolo esatto che questi venti - e per estensione, clima terrestre:il gioco nel plasmare la ionosfera è una questione in sospeso, e uno a cui gli scienziati sperano che ICON risponda.

"Pensiamo che i venti saranno direttamente correlati al campo elettrico misurato sul veicolo spaziale, ma non lo sappiamo, " disse Immel. "Nessuno ha mai fatto questa misurazione, quindi nessuno sa cosa vedremo".

Occhi sulla ionosfera

ICON esplora queste connessioni tra l'atmosfera neutra e la ionosfera caricata elettricamente con quattro strumenti. Tre di questi quattro strumenti si basano su uno dei fenomeni più spettacolari dell'alta atmosfera:il bagliore dell'aria.

Airglow è creato da un processo simile che crea l'aurora:il gas si eccita ed emette luce. Sebbene le aurore siano tipicamente confinate alle latitudini settentrionali e meridionali estreme, il bagliore dell'aria si verifica costantemente in tutto il mondo, ed è molto più debole. Ma è ancora abbastanza luminoso da consentire agli strumenti di ICON di creare un'immagine della densità, Composizione e struttura della ionosfera.

Uno di questi strumenti di misurazione del bagliore d'aria è MIGHTI, abbreviazione di Interferometro Michelson per l'imaging termosferico globale ad alta risoluzione. Progettato e costruito dal Naval Research Lab di Washington, DC, MIGHTI misura lo spostamento Doppler dei gas incandescenti dell'alta atmosfera e della ionosfera.

"Lo spostamento Doppler è lo stesso processo che puoi sentire quando senti una sirena su un'ambulanza:ha un tono diverso quando l'ambulanza si avvicina rispetto a quando si allontana da te, " ha detto England. "La stessa cosa sta accadendo con la luce del bagliore dell'aria".

Quando il flusso d'aria che produce gas si avvicina o si allontana da ICON, spinto dai venti, le lunghezze d'onda sono allungate o compresse. Poiché gli scienziati sanno quali specie chimiche producono il bagliore nell'atmosfera superiore, sanno in modo molto specifico quale lunghezza d'onda, o colore, dovrebbe essere quella luce. La luce con spostamento Doppler ha una tonalità sempre leggermente diversa che MIGHTI può rilevare, e da lì, gli scienziati possono dedurre la velocità e la direzione dei venti in questa regione.

Strumenti simili a MIGHTI hanno già volato in missioni spaziali, ma con una differenza fondamentale. I precedenti interferometri spaziali avrebbero utilizzato parti mobili per modificare la distanza tra diversi riflettori e rilevatori al fine di misurare ciascuna lunghezza d'onda della luce. Ma MIGHTI utilizza uno strumento chiamato reticolo di diffrazione, simile a uno specchio con linee incise che riflettono la luce in un certo modo, per separare la luce che vede nelle sue lunghezze d'onda componenti contemporaneamente. Ciò significa che MIGHTI può misurare più lunghezze d'onda contemporaneamente, rendendo lo strumento più sensibile.

"MIGHTI può misurare i cambiamenti nella velocità del vento di circa 10 miglia all'ora, " disse England. "Se lo traduci nell'effettivo cambiamento nella lunghezza d'onda, questo è un cambiamento di circa 1 su 100 milioni."

Un altro strumento airglow, lo strumento Far Ultraviolet, utilizza una tecnica avanzata di de-sfocatura chiamata integrazione con ritardo temporale per inviare più informazioni agli scienziati all'interno delle restrizioni sulla larghezza di banda dei dati del veicolo spaziale.

"Abbiamo la larghezza di banda per inviare un'istantanea ogni 12 secondi, ma la navicella si sposta di un centinaio di chilometri in quel lasso di tempo, e le strutture che vogliamo guardare sono larghe solo pochi chilometri, " ha detto Rowland. "Tu imbratteresti tutte queste strutture su piccola scala."

Cosa fa invece lo strumento Far Ultraviolet, disse Rowland, è prendere otto istantanee al secondo, quasi cento volte più dati che ICON può inviare, e combinarli, con ciascuno spostato in modo appropriato per tenere conto della deformazione e della geometria del veicolo spaziale. Questa elaborazione, che accade tutto sul computer di bordo di ICON, crea una singola immagine che può essere rispedita sulla Terra entro la larghezza di banda assegnata. Questo combina i vantaggi di una lunga esposizione comprimendo i dati, pur mantenendo la messa a fuoco nitida che offre agli scienziati uno sguardo dettagliato alle strutture a cui sono interessati. Le lunghezze d'onda misurate da FUV sono prodotte da alcuni tipi di molecole di ossigeno e azoto sul lato diurno della Terra, così come gli ioni di ossigeno sul lato notturno della Terra.

Il terzo strumento a getto d'aria di ICON, EUV—abbreviazione di strumento Extreme Ultraviolet—misura lunghezze d'onda della luce più corte rispetto a FUV. Il bagliore dell'aria misurato da EUV è prodotto dagli ioni di ossigeno sul lato del giorno della Terra, che costituiscono la parte del leone della ionosfera diurna della Terra. I dati di EUV riveleranno dettagli sulla struttura della ionosfera durante il giorno, come quanto si estende, e dove si formano sacche di plasma più denso, che possono modificare l'interazione della ionosfera con i segnali di comunicazione ei satelliti.

Mentre i tre strumenti airglow di ICON misurano la temperatura, velocità e composizione dei gas a miglia di distanza dal veicolo spaziale, una coppia di identici strumenti in situ caratterizza il gas carico attorno al veicolo spaziale. I due misuratori di velocità ionica, o IVM, effettuare misurazioni molto precise dell'angolo con cui il gas ionizzato entra nello strumento, aiutando gli scienziati a capire come si muove questo gas ionizzato attorno al veicolo spaziale.

Nel passato, gli scienziati potrebbero aver dovuto combinare strumenti di diversi veicoli spaziali, a volte anche di anni diversi, per cercare di stabilire connessioni tra la bassa atmosfera, atmosfera superiore neutra e ionosfera. Ma uno dei principali progressi di ICON è la combinazione dei dati dei suoi quattro strumenti nello stesso luogo e nello stesso momento

"La cosa unica è la suite di strumenti, " ha detto Ellen Taylor, Ingegnere dei sistemi di progetto ICON presso l'UC Berkeley. "ICON has several instruments that have been flown before, but they're put together into a payload suite to make unique measurements."

ICON's orbit is also designed to create a few points during each orbit where the remote sensing instruments look straight down Earth's magnetic field. That means the spacecraft's in situ plasma measurements are sometimes directly magnetically connected to the remote measurements of airglow, even though they're hundreds of miles apart.

ICON's data will be complemented by the January 2019 launch of the GOLD instrument, short for Global-scale Observations of the Limb and Disk. Hosted on a commercial satellite in geostationary orbit, GOLD also will observe the ionosphere, but from a vantage point very different from ICON's:GOLD will see the big picture, while ICON flies through the ionosphere, collecting data from up close.

"To study hurricanes, we might use a weather satellite to track how they're moving across the ocean, but to get detailed information, we fly a plane through the storm, " said England. The same relationship holds true for ICON and GOLD studying the ionosphere. "GOLD is like the weather satellite, and ICON is like the airplane."

ICON launches on a Pegasus rocket from Kwajalein Atoll in the Marshall Islands in the Pacific Ocean. Carried underneath the L-1011 airplane out over the ocean, the launch window opens at approximately 3 a.m. local time on Dec. 8. NASA TV will cover the launch.

After launch, Taylor's team will be in the mission operations center at UC Berkeley 24/7 for nearly a week to commission the spacecraft. This is followed by another three weeks of instrument commissioning, during which each one of the instruments is prepared to take science data—by powering up, opening sensor doors, ramping up voltage and cooling down detector plates. After instrument and payload commissioning, ICON should be fully online and sending back data by about a month after launch.