El 8 de diciembre 2017, La NASA lanza el Explorador de conexión ionosférica, o ICONO, un satélite en órbita terrestre baja que nos dará nueva información sobre cómo la atmósfera de la Tierra interactúa con el espacio cercano a la Tierra, un toma y daca que juega un papel importante en la seguridad de nuestros satélites y la confiabilidad de las señales de comunicaciones.

Específicamente, ICON investiga las conexiones entre la atmósfera neutra, que se extiende desde aquí cerca de la superficie hasta muy por encima de nosotros, en el borde del espacio, y la parte de la atmósfera cargada eléctricamente, llamada ionosfera. Las partículas de la ionosfera llevan carga eléctrica que puede interrumpir las señales de comunicación, hacer que los satélites en órbita terrestre baja se carguen eléctricamente, y, en casos extremos, causar cortes de energía en el suelo. Colocado en el borde del espacio y entremezclado con la atmósfera neutra, La respuesta de la ionosfera a las condiciones en la Tierra y en el espacio es difícil de precisar.

"Las condiciones en nuestro entorno espacial, el clima espacial, es algo que debemos poder pronosticar, "dijo Thomas Immel, investigador principal de la misión ICON de la Universidad de California, Berkeley. "Es difícil predecir las condiciones de la ionosfera mañana con base en lo que medimos hoy".

Interfaz de la Tierra con el espacio

A medida que uno sube más y más por encima de la superficie de la Tierra, la atmósfera se vuelve gradualmente más delgada. Los efectos de estos cambios se pueden sentir a unas pocas millas sobre el nivel del mar, por ejemplo, Los escaladores de algunas de las montañas más altas del mundo a menudo deben usar tanques de oxígeno para respirar. Pero aun mas alto a unas 60 millas sobre la superficie de la Tierra, la atmósfera se vuelve tan delgada que los aviones no pueden volar. Aquí es donde comienza el espacio.

Incluso más allá de este límite del espacio, La atmósfera de la Tierra continúa extendiéndose hacia arriba, simplemente se vuelve más delgada y tenue a medida que se asciende. Esta región está por encima de la capa de ozono de la Tierra, por lo que está expuesto a la mayor parte de la radiación solar. La fuerte radiación ultravioleta se rompe estable, moléculas neutras, cambiarlos de algo parecido al aire que respiramos en formas de gas más reactivas, como el oxígeno atómico. Estos compuestos reactivos en la atmósfera superior neutra producen un tenue, resplandor global, llamado airglow.

Pero la luz del sol no se detiene ahí. Sigue rompiendo estas moléculas atmosféricas, eliminando electrones, lo que deja un mar de electrones e iones cargados. Esta población de partículas cargadas eléctricamente es la ionosfera, y existe en el mismo espacio que la atmósfera superior neutra extremadamente delgada.

Esto hace que nuestra interfaz con el espacio sea una región única, donde coexisten gases cargados y neutros. Está formado tanto por los patrones climáticos como por los vientos de la Tierra a continuación, y los campos eléctricos y magnéticos cambiantes y el clima espacial desde arriba.

"ICON tiene como objetivo comprender cómo el clima de la Tierra modifica el clima espacial, "dijo Doug Rowland, científico de la misión ICON en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Estamos viendo cómo el clima en el que vivimos:lluvia, calor, nieve, tormentas eléctricas huracanes:afecta el entorno espacial sobre nosotros ".

El clima espacial a menudo se desencadena por cambios en el Sol, que libera un flujo constante de material magnetizado llamado viento solar junto con ráfagas de material solar menos frecuentes pero más intensas, llamadas eyecciones de masa coronal. Los campos magnéticos incrustados en este material solar pueden deformar el campo magnético natural de la Tierra, creando campos eléctricos y magnéticos cambiantes en el espacio cercano a la Tierra. El gas cargado eléctricamente de la ionosfera, llamado plasma, reacciona de forma única a estos campos eléctricos y magnéticos cambiantes.

Muchos satélites en órbita terrestre baja, incluida la Estación Espacial Internacional, volar a través de la ionosfera. También actúa como un conducto para muchas de nuestras señales de comunicación, como las ondas de radio y las señales que hacen que los sistemas GPS funcionen. Cambios imprevistos en la ionosfera, como ondas y burbujas de plasma denso, puede tener un impacto significativo en nuestra tecnología y comunicación.

"Las ondas de radio de onda corta rebotan en la ionosfera, y las señales de los satélites GPS deben pasar, "dijo Immel." Los cambios en la densidad afectan directamente las comunicaciones y la navegación ".

Comprender los detalles de lo que influye en la ionosfera y causa las interrupciones de la señal ha sido históricamente difícil, en parte debido a la variedad de factores que pueden cambiar la ionosfera. Por décadas, Los científicos pensaban que la ionosfera respondía solo a las condiciones cambiantes en el espacio. Nuevos datos de las últimas décadas, sin embargo, ha demostrado que esa suposición es incorrecta, y reveló que todavía hay mucho que aprender sobre las fuerzas que dan forma a la ionosfera.

"Lo que descubrimos, utilizando datos de una misión de la NASA llamada IMAGEN, era que esta región de la atmósfera superior y la ionosfera en realidad estaba respondiendo a los efectos relacionados con los sistemas meteorológicos cerca de la superficie de la Tierra, "dijo Scott England, Científico del proyecto ICON basado en Virginia Tech en Blacksburg. IMAGEN, abreviatura de Imager para Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, estudió la magnetosfera de la Tierra de 2000 a 2005. "Esto fue realmente inesperado en ese momento, para ver una conexión. Donde estaban las partículas cargadas, cuantos habia, cuán denso era el gas, respondían a los patrones climáticos cerca de la superficie de la Tierra ".

Los huracanes producen bolsas de alta o baja presión cerca de la superficie de la Tierra, tormentas eléctricas o incluso fenómenos tan simples como un viento constante sobre una cadena montañosa. Estas diferencias de presión pueden propagarse a los tramos más altos de la atmósfera superior e influir en los vientos en esta región. El papel exacto que estos vientos y, por extensión, el clima terrestre:jugar en la configuración de la ionosfera es una cuestión pendiente, y uno que los científicos esperan que ICON responda.

"Creemos que los vientos estarán directamente relacionados con el campo eléctrico medido en la nave espacial, pero no lo sabemos "dijo Immel." Nadie ha hecho nunca esta medida, para que nadie sepa lo que vamos a ver ".

Ojos en la ionosfera

ICON explora estas conexiones entre la atmósfera neutra y la ionosfera cargada eléctricamente con cuatro instrumentos. Tres de estos cuatro instrumentos se basan en uno de los fenómenos más espectaculares de la atmósfera superior:el resplandor del aire.

Airglow se crea mediante un proceso similar que crea la aurora:el gas se excita y emite luz. Aunque las auroras suelen estar confinadas a las latitudes extremas del norte y del sur, el resplandor del aire ocurre constantemente en todo el mundo, y es mucho más tenue. Pero todavía es lo suficientemente brillante para que los instrumentos de ICON construyan una imagen de la densidad, composición y estructura de la ionosfera.

Uno de estos instrumentos de medición de resplandor de aire es MIGHTI, abreviatura de Interferómetro de Michelson para imágenes termosféricas globales de alta resolución. Diseñado y construido por el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, CORRIENTE CONTINUA., MIGHTI mide el desplazamiento Doppler de los gases brillantes de la atmósfera superior y la ionosfera.

"El cambio Doppler es el mismo proceso que puedes escuchar cuando escuchas una sirena en una ambulancia:tiene un tono diferente cuando la ambulancia se acerca o se aleja de ti, ", dijo Inglaterra." Lo mismo está sucediendo con la luz del resplandor del aire ".

Cuando el brillo de aire que produce gas se acerca o se aleja de ICON, empujado por los vientos, las longitudes de onda se estiran o se comprimen. Debido a que los científicos saben qué especies químicas producen resplandor de aire en la atmósfera superior, saben muy específicamente qué longitud de onda (o color) debe tener esa luz. La luz desplazada por Doppler tiene un tono ligeramente diferente que MIGHTI puede detectar, y a partir de ahí los científicos pueden deducir la velocidad y la dirección de los vientos en esta región.

Instrumentos similares a MIGHTI han volado en misiones espaciales antes, pero con una diferencia clave. Los interferómetros espaciales anteriores usarían partes móviles para cambiar la distancia entre diferentes reflectores y detectores con el fin de medir cada longitud de onda de la luz. Pero MIGHTI usa una herramienta llamada rejilla de difracción, similar a un espejo con líneas grabadas que reflejan la luz de cierta manera, para separar la luz que ve en las longitudes de onda que la componen simultáneamente. Esto significa que MIGHTI puede medir múltiples longitudes de onda a la vez, haciendo que el instrumento sea más sensible.

"MIGHTI puede medir cambios en la velocidad del viento de alrededor de 10 millas por hora, ", dijo Inglaterra." Si traduces eso en el cambio real en la longitud de onda, eso es un cambio de aproximadamente 1 en 100 millones ".

Otro instrumento de resplandor de aire, el instrumento ultravioleta lejano, utiliza una técnica avanzada de eliminación de borrosidad llamada integración de retardo de tiempo para enviar más información a los científicos dentro de las restricciones de ancho de banda de datos de la nave espacial.

"Tenemos el ancho de banda para enviar una instantánea cada 12 segundos, pero la nave espacial se mueve alrededor de cien kilómetros en ese período de tiempo, y las estructuras que queremos ver tienen solo unos pocos kilómetros de ancho, "dijo Rowland." Usted mancharía todas estas estructuras a pequeña escala ".

Lo que hace el instrumento Far Ultraviolet en su lugar, dijo Rowland, es tomar ocho instantáneas por segundo, casi cien veces la cantidad de datos que ICON puede enviar, y combinarlas, con cada uno desplazado apropiadamente para tener en cuenta la deformación y la geometría de la nave espacial. Este procesamiento, todo lo que sucede en la computadora de a bordo de ICON, crea una imagen única que se puede enviar de vuelta a la Tierra dentro del ancho de banda asignado. Esto combina las ventajas de una exposición prolongada al comprimir los datos, sin dejar de mantener el enfoque nítido que brinda a los científicos una visión detallada de las estructuras que les interesan. Las longitudes de onda medidas por FUV son producidas por ciertos tipos de moléculas de oxígeno y nitrógeno en el lado diurno de la Tierra, así como iones de oxígeno en el lado nocturno de la Tierra.

El tercer instrumento de resplandor de aire de ICON, EUV, abreviatura de instrumento ultravioleta extremo, mide longitudes de onda de luz más cortas que FUV. El resplandor de aire medido por EUV es producido por iones de oxígeno en el lado del día de la Tierra, que constituyen la mayor parte de la ionosfera diurna de la Tierra. Los datos de EUV revelarán detalles sobre la estructura de la ionosfera durante el día, como qué tan lejos se extiende, y dónde se forman bolsas de plasma más denso, que pueden cambiar la interacción de la ionosfera con las señales de comunicaciones y los satélites.

Mientras que los tres instrumentos Airglow de ICON miden la temperatura, velocidad y composición de los gases a millas de distancia de la nave espacial, un par de instrumentos in situ idénticos caracterizan el gas cargado alrededor de la nave espacial. Los dos medidores de velocidad de iones, o IVM, realizar mediciones muy precisas del ángulo en el que el gas ionizado entra en el instrumento, ayudando a los científicos a comprender cómo se mueve este gas ionizado alrededor de la nave espacial.

En el pasado, Es posible que los científicos hayan tenido que combinar instrumentos de diferentes naves espaciales, a veces incluso de diferentes años, para intentar establecer conexiones entre la atmósfera inferior. atmósfera superior e ionosfera neutrales. Pero uno de los principales avances de ICON es la combinación de datos de sus cuatro instrumentos en el mismo lugar y momento

"The unique thing is the suite of instruments, " said Ellen Taylor, ICON project systems engineer at 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.