Холодным утром в начале декабря группа ученых НАСА соберется в диспетчерской в Ню-Олесунне, Шпицберген, отдаленном архипелаге у северного побережья Норвегии. Здесь, на самом северном в мире ракетном полигоне, находящемся в ведении Норвежского космического центра Андойя, часы могут показывать 8 часов утра, но Солнце еще не взойдет - к тому времени оно не покажется из-за горизонта более чем через месяц.
В течение месяца Ню-Олесунн будет домом для ракетной команды, стоящей за миссией NASA VISIONS-2, сокращенно от Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2. Они отправились в это экстремальное место, чтобы поближе взглянуть на выход из атмосферы, процесс, при котором Земля медленно выбрасывает свою атмосферу в космос. Понимание атмосферного побега на Земле имеет применение во всей Вселенной - от предсказания того, какие далекие планеты могут быть обитаемы, до изучения того, как Марс стал пустынным, открытым ландшафтом, которым он является сегодня. Запуск VISIONS-2 запланирован не ранее 4 декабря 2018 года.
Во главе с Дугом Роулендом из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, VISIONS-2 представляет собой зондирующую ракету, тип суборбитальной ракеты, которая совершает короткие целенаправленные полеты в космос, прежде чем вернуться на Землю через несколько секунд. минут спустя. Зондирующие ракеты уникальны среди научных космических кораблей своей превосходной ловкостью: их можно доставить в отдаленные места, где они наводятся и стреляют в кратковременные события, такие как внезапное образование северного сияния, в любой момент.
Северное сияние представляет большой интерес для команды VISIONS-2, но не только из-за его потустороннего свечения. Игра полярных сияний является фундаментальной движущей силой процесса ухода из атмосферы, когда планеты, включая Землю, постепенно выбрасывают свою атмосферу в космос.
«Земля теряет вес», - сказал Томас Мур, космический физик Годдарда, специализирующийся на побегах из атмосферы. «Было достаточно наблюдений, чтобы знать, что каждый день в космос уходит от ста до нескольких сотен тонн атмосферы».
(Не беспокойтесь - при таких темпах, по оценке Мура, Земля сохранит свою атмосферу примерно миллиард лет.)
Мы подозревали, что Земля теряет атмосферу, по крайней мере, с 1904 года, когда сэр Джеймс Джинс впервые опубликовал свою работу «Динамическая теория газов», заложив теоретические основы выхода из атмосферы. Но есть один исчезающий элемент, который все еще представляет загадку. Ученые долгое время считали, что кислород, масса которого в 16 раз превышает массу водорода, слишком тяжел, чтобы вырваться из-под земного притяжения.
«Чтобы покинуть Землю, кислороду потребуется примерно в 100 раз больше энергии, чем обычно», - сказал Роуленд, главный исследователь миссии.«Только мельчайшая часть должна когда-либо сделать это». Но когда ученые наконец поднялись и посмотрели в 60-х и 70-х годах, они обнаружили не это. На самом деле, околоземное пространство изобилует переносимым с Земли кислородом гораздо больше, чем кто-либо ожидал.
"Но как он туда попал? Вам нужны процессы, которые активизируют этот кислород достаточно, чтобы улетучиться", сказал Роуленд.
Полярное сияние, оказывается, является одним из таких процессов. Полярное сияние образуется, когда энергичные электроны, ускоренные электрическими и магнитными полями в околоземном пространстве, врезаются в атмосферные газы и возбуждают их, излучая яркие оттенки красного, зеленого и желтого цветов, возвращаясь в более низкое энергетическое состояние. Но эти неуправляемые электроны также создают каскад хаоса в процессе, в том числе управляя электрическими токами, которые нагревают верхние слои атмосферы пятнистыми пятнами. В некоторых случаях этого нагрева достаточно, чтобы дать блуждающим атомам кислорода достаточно энергии, чтобы улететь. «Это все равно, что положить в суп нагревательный элемент - в конце концов он начнет кипеть», - сказал Роуленд.
VISIONS-1, предшественник текущей миссии, был запущен с исследовательского полигона Покер-Флэт на Аляске в 2013 году, где они изучали отток кислорода от полярных сияний, которые образуются на ночной стороне Земли, части планеты, которая временно направлена в сторону. от солнца. Для миссии VISIONS-2 команда отправится в уникальную часть земного шара, где можно увидеть дневное сияние.
Раз в день Шпицберген проходит под необычной особенностью магнитосферы Земли, известной как полярный выступ. Полярные выступы образуются как на северном, так и на южном полюсах на обращенной к Солнцу стороне планеты, и это единственные места, где частицы солнечного ветра могут попасть прямо в нашу атмосферу. Куспиды подобны магнитным мостам между Землей и космосом, где энергичные электроны Солнца врезаются в атмосферные частицы и создают дневное полярное сияние.
VISIONS-2 отправит две ракеты к северному полярному выступу, где будет использовать метод визуализации для картирования оттока кислорода из полярного сияния. Используя этот метод, VISIONS-2 использует подход, отличный от многих других миссий, которые пытаются объединить данные из многих событий оттока. Вместо этого VISIONS-2 надеется получить большое количество данных об одном событии утечки кислорода. Не все события оттока одинаковы, но детальное понимание одного из них может иметь значительную научную ценность.
«Это похоже на то, что если вы пытаетесь изучить торнадо, вы можете просто измерить ветры, когда различные торнадо пролетают на разном расстоянии от вашего дома», - сказал Роуленд. «Вы получите представление о том, как выглядит «средний» торнадо. Вместо этого мы хотим всесторонне наблюдать за одним торнадо, чтобы понять, как он работает в деталях».
Целью VISIONS-2 является проверка того, является ли и каким образом процесс нагрева и возбуждения кислорода на дневной стороне северного сияния - в пределах полярного пика - таким же, как и на ночной стороне. Это далеко не предрешенный вывод, поскольку дневная и ночная стороны имеют некоторые заметные различия.
«Ионный поток в куспиде более устойчивый и имеет более низкую энергию, в то время как на ночной стороне он более импульсивный и может иметь более высокую энергию», - объяснил Роуленд. «Кроме того, окружающая среда на пороге и на ночной стороне различается, поэтому мы ищем сходства и различия».
VISIONS-2 будет не единственной ракетой, запускаемой из этого отдаленного места: это первая из девяти зондирующих ракет, которые будут запущены в течение следующих 14 месяцев в рамках инициативы Grand Challenge - Cusp. Привлекая исследователей из Соединенных Штатов, Канады, Норвегии, Великобритании и Японии, Grand Challenge представляет собой международное сотрудничество для изучения северного полярного выступа, которое, мы надеемся, взломает код этого необычного портала между Землей и космосом..
Запуск VISIONS-2 запланирован на декабрь 2018 года с ракетного полигона Ню-Олесунн на Шпицбергене. Окно запуска длится с 4 по 18 декабря.