Le 8 décembre, 2017, La NASA lance l'Explorateur de connexions ionosphériques, ou ICNE, un satellite en orbite terrestre basse qui nous donnera de nouvelles informations sur la façon dont l'atmosphère terrestre interagit avec l'espace proche de la Terre, un échange qui joue un rôle majeur dans la sécurité de nos satellites et la fiabilité des signaux de communication.

Spécifiquement, ICON étudie les connexions entre l'atmosphère neutre - qui s'étend d'ici près de la surface jusqu'à loin au-dessus de nous, au bord de l'espace - et la partie électriquement chargée de l'atmosphère, appelé l'ionosphère. Les particules de l'ionosphère portent une charge électrique qui peut perturber les signaux de communication, provoquer la charge électrique des satellites en orbite terrestre basse, et, dans des cas extrêmes, provoquer des coupures de courant au sol. Positionné à la lisière de l'espace et mêlé à l'atmosphère neutre, la réponse de l'ionosphère aux conditions sur Terre et dans l'espace est difficile à cerner.

« Les conditions de notre environnement spatial – la météo spatiale – sont quelque chose que nous devons pouvoir prévoir, " dit Thomas Immel, chercheur principal de la mission ICON de l'Université de Californie, Berkeley. "Il est difficile de prédire les conditions dans l'ionosphère demain sur la base de ce que nous mesurons aujourd'hui."

L'interface de la Terre avec l'espace

Au fur et à mesure que l'on monte de plus en plus au-dessus de la surface de la Terre, l'atmosphère se raréfie progressivement. Les effets de ces changements peuvent être ressentis à quelques kilomètres au-dessus du niveau de la mer, par exemple, les grimpeurs sur certaines des plus hautes montagnes du monde doivent souvent utiliser des réservoirs d'oxygène pour respirer. Mais encore plus haut, à environ 60 miles au-dessus de la surface de la Terre, l'atmosphère devient si fine que les avions ne peuvent plus voler. C'est là que l'espace commence.

Même au-delà de cette limite de l'espace, L'atmosphère terrestre continue de s'étendre vers le haut – elle devient de plus en plus mince et ténue à mesure que vous montez. Cette région est au-dessus de la couche d'ozone de la Terre, il est donc exposé de plein fouet au rayonnement solaire. Le fort rayonnement ultraviolet se décompose de manière stable, molécules neutres, les changer de quelque chose qui ressemble à l'air que nous respirons en des formes de gaz plus réactives, comme l'oxygène atomique. Ces composés réactifs dans la haute atmosphère neutre produisent une faible, lueur mondiale, appelé airglow.

Mais la lumière du soleil ne s'arrête pas là. Il continue de briser ces molécules atmosphériques, faire tomber des électrons, qui laisse une mer d'électrons et d'ions chargés. Cette population de particules chargées électriquement est l'ionosphère, et il existe dans le même espace que la haute atmosphère neutre extrêmement mince.

Cela fait de notre interface avec l'espace une région unique, où coexistent des gaz chargés et neutres. Il est façonné à la fois par les conditions météorologiques et les vents de la Terre ci-dessous, et les champs électriques et magnétiques changeants et la météo spatiale d'en haut.

"ICON vise à comprendre comment la météo de la Terre modifie la météo spatiale, " a déclaré Doug Rowland, scientifique de mission pour ICON au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Nous regardons comment le temps dans lequel nous vivons—pluie, Chauffer, neiger, des orages, ouragans, affecte l'environnement spatial au-dessus de nous."

La météo spatiale est souvent déclenchée par des changements sur le Soleil, qui libère un flux constant de matière magnétisée appelé vent solaire ainsi que des éclats de matière solaire moins fréquents mais plus intenses, appelées éjections de masse coronale. Les champs magnétiques intégrés dans ce matériau solaire peuvent déformer le champ magnétique naturel de la Terre, créant des champs électriques et magnétiques changeants dans l'espace proche de la Terre. Le gaz électriquement chargé de l'ionosphère, appelé plasma, réagit de manière unique à ces champs électriques et magnétiques changeants.

De nombreux satellites en orbite terrestre basse, dont la Station spatiale internationale, voler à travers l'ionosphère. Il agit également comme un conduit pour bon nombre de nos signaux de communication, comme les ondes radio et les signaux qui font fonctionner les systèmes GPS. Changements imprévus dans l'ionosphère, comme des ondulations et des bulles de plasma dense, peuvent avoir des impacts significatifs sur notre technologie et nos communications.

"Les ondes radio à ondes courtes rebondissent sur l'ionosphère, et les signaux des satellites GPS doivent passer, " a déclaré Immel. "Les changements de densité affectent directement les communications et la navigation."

Comprendre les détails de ce qui influence l'ionosphère et provoque des perturbations du signal a toujours été difficile, en partie à cause de la gamme de facteurs qui peuvent modifier l'ionosphère. Depuis des décennies, les scientifiques pensaient que l'ionosphère ne répondait qu'aux conditions changeantes dans l'espace. De nouvelles données au cours des dernières décennies, cependant, a prouvé que cette hypothèse était fausse, et a révélé qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur les forces qui façonnent l'ionosphère.

"Ce que nous avons découvert, en utilisant les données d'une mission de la NASA appelée IMAGE, était que cette région de la haute atmosphère et de l'ionosphère réagissait en fait aux effets liés aux systèmes météorologiques proches de la surface de la Terre, " a déclaré Scott England, Scientifique du projet ICON basé à Virginia Tech à Blacksburg. IMAGE, abréviation de Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, étudié la magnétosphère terrestre de 2000 à 2005. "C'était vraiment inattendu à l'époque, pour voir une connexion. Où se trouvaient les particules chargées, combien il y en avait, à quel point le gaz était dense - ils répondaient aux conditions météorologiques près de la surface de la Terre. "

Des poches de haute ou basse pression sont produites près de la surface de la Terre par les ouragans, des orages, ou même des phénomènes aussi simples qu'un vent constant au-dessus d'une chaîne de montagnes. Ces différences de pression peuvent se propager dans les parties les plus hautes de la haute atmosphère et influencer les vents dans cette région. Le rôle exact que ces vents—et par extension, météo terrestre - jouer dans la formation de l'ionosphère est une question en suspens, et une question à laquelle les scientifiques espèrent qu'ICON répondra.

"Nous pensons que les vents seront directement liés au champ électrique mesuré au niveau du vaisseau spatial, mais on ne sait pas, " dit Immel. " Personne n'a jamais fait cette mesure, donc personne ne sait ce que nous allons voir."

Les yeux sur l'ionosphère

ICON explore ces connexions entre l'atmosphère neutre et l'ionosphère chargée électriquement avec quatre instruments. Trois de ces quatre instruments reposent sur l'un des phénomènes les plus spectaculaires de la haute atmosphère :la lueur de l'air.

Airglow est créé par un processus similaire qui crée l'aurore :le gaz est excité et émet de la lumière. Bien que les aurores soient généralement confinées aux latitudes nord et sud extrêmes, l'airglow se produit constamment à travers le monde, et c'est beaucoup plus faible. Mais c'est encore assez lumineux pour que les instruments d'ICON construisent une image de la densité, composition et structure de l'ionosphère.

L'un de ces instruments de mesure de la luminosité de l'air est MIGHTI, abréviation de Michelson Interferometer for Global High-Resolution Thermospheric Imaging. Conçu et construit par le Naval Research Lab à Washington, D.C., MIGHTI mesure le décalage Doppler des gaz incandescents de la haute atmosphère et de l'ionosphère.

"Le décalage Doppler est le même processus que vous pouvez entendre lorsque vous entendez une sirène dans une ambulance :il a un ton différent lorsque l'ambulance s'approche et s'éloigne de vous, " a déclaré l'Angleterre. " La même chose se produit avec la lumière de la lueur de l'air. "

Lorsque la lueur d'air produisant du gaz se rapproche ou s'éloigne de l'ICON, poussé par les vents, les longueurs d'onde sont étirées ou comprimées. Parce que les scientifiques savent quelles espèces chimiques produisent une lueur d'air dans la haute atmosphère, ils savent très précisément quelle longueur d'onde - ou couleur - cette lumière doit être. La lumière décalée par Doppler a une teinte légèrement différente que MIGHTI peut détecter, et de là, les scientifiques peuvent déduire la vitesse et la direction des vents dans cette région.

Des instruments similaires à MIGHTI ont déjà volé dans des missions spatiales, mais avec une différence clé. Les interféromètres spatiaux antérieurs utilisaient des pièces mobiles pour modifier la distance entre différents réflecteurs et détecteurs afin de mesurer chaque longueur d'onde de la lumière. Mais MIGHTI utilise un outil appelé réseau de diffraction, similaire à un miroir avec des lignes gravées qui réfléchissent la lumière d'une certaine manière, pour séparer la lumière qu'il voit en ses longueurs d'onde composantes simultanément. Cela signifie que MIGHTI peut mesurer plusieurs longueurs d'onde à la fois, rendre l'instrument plus sensible.

"MIGHTI peut mesurer des changements de vitesse du vent d'environ 10 miles par heure, " dit l'Angleterre. " Si vous traduisez cela par le changement réel de la longueur d'onde, c'est un changement d'environ 1 sur 100 millions."

Un autre instrument de lueur d'air, l'instrument Ultraviolet Lointain, utilise une technique avancée de suppression du flou appelée intégration à retardement pour renvoyer plus d'informations aux scientifiques dans les limites de la bande passante des données du vaisseau spatial.

"Nous avons la bande passante pour envoyer un instantané toutes les 12 secondes, mais le vaisseau spatial se déplace d'une centaine de kilomètres dans ce laps de temps, et les structures que nous voulons regarder ne font que quelques kilomètres de large, " a déclaré Rowland. " Vous saliriez toutes ces structures à petite échelle. "

Ce que fait l'instrument Far Ultraviolet à la place, dit Rowland, est de prendre huit instantanés par seconde - près de cent fois plus de données qu'ICON peut envoyer - et de les combiner, chacun étant décalé de manière appropriée pour tenir compte du gauchissement et de la géométrie du vaisseau spatial. Ce traitement, ce qui se passe sur l'ordinateur de bord d'ICON, crée une image unique qui peut être renvoyée sur Terre dans la bande passante allouée. Ceci combine les avantages d'une exposition longue en compressant les données, tout en maintenant la netteté qui donne aux scientifiques un aperçu détaillé des structures qui les intéressent. Les longueurs d'onde mesurées par FUV sont produites par certains types de molécules d'oxygène et d'azote du côté diurne de la Terre, ainsi que des ions oxygène du côté nuit de la Terre.

Le troisième instrument Airglow d'ICON, EUV (abréviation de Extreme Ultraviolet Instrument) mesure des longueurs d'onde de lumière plus courtes que FUV. La lueur d'air mesurée par EUV est produite par les ions d'oxygène du côté diurne de la Terre, qui constituent la part du lion de l'ionosphère diurne de la Terre. Les données de l'EUV révéleront des détails sur la structure de l'ionosphère pendant la journée, comme sa distance, et là où se forment des poches de plasma plus dense, qui peuvent modifier l'interaction de l'ionosphère avec les signaux de communication et les satellites.

Tandis que les trois instruments d'airglow d'ICON mesurent la température, vitesse et composition des gaz à des kilomètres du vaisseau spatial, une paire d'instruments in situ identiques caractérise le gaz chargé autour de l'engin spatial. Les deux compteurs de vitesse d'ions, ou IVM, effectuer des mesures très précises de l'angle d'entrée du gaz ionisé dans l'instrument, aider les scientifiques à comprendre comment ce gaz ionisé autour du vaisseau spatial se déplace.

Autrefois, les scientifiques ont peut-être dû combiner des instruments de différents engins spatiaux - parfois même de différentes années - pour essayer d'établir des liens entre la basse atmosphère, haute atmosphère neutre et ionosphère. But one of ICON's main advances is the combination of data from its four instruments at the same place and time

"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.