PetitSat:追尋電離層中的斑塊和氣泡

2020-11-23 搜狐網

原標題：PetitSat：追尋電離層中的斑塊和氣泡

背景：地球大氣層最下面的一層是對流層，它從地面延伸到約10公裡的高處。10公裡以上為平流層，再向上為中間層。在約80公裡以上的熱層大氣已經非常稀薄，在這裡陽光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離，自由的電子在與正電荷的離子合併前可以短暫地自由活動，這樣在這個高度造成一個等離子體。在這裡自由電子的數量足以影響電波的傳播。

電離層不是由規則的、平滑的層組成的，而是由塊狀的、雲一般的、不規則的電離的團或者層組成。

近期NASA選定的立方體衛星（CubeSat）的任務是去了解地球電離層中的等離子體氣泡和斑塊如何相互作用，並最終影響電離層中通訊，GPS和雷達信號的傳輸。

由在NASA馬裡蘭州格林貝爾（Greenbelt）的戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center，以下簡稱Goddard）工作的科學家Jeffrey Klenzing和Sarah Jones領導的科學家和工程師團隊最近贏得了NASA項目資金，用來建立電離層–熱層等離子體增強衛星（the Plasma Enhancements in The Ionosphere-Thermosphere Satellite，以下簡稱petitSat）。 PetitSat利用幾項受研發支持的技術，衛星平臺本身也是這些技術之一，一項探索者（Explorer-class）任務也可能在其引領下開展。

*注釋：探索者計劃的系列任務預算不超過2千萬美元，比發現計劃的系列任務（Discovery，預算6千萬美元，詳見2017-05-09的推送）還要低一等級。

Goddard中心領導的petitSat團隊將通過這個6U立方體衛星-Dellingr完成其使命。 Goddard的工程師開發了這款小型衛星，以表明立方體衛星在可靠又經濟的同時， 還可以收集令人信服的科學數據。這款Dellingr 3D模型頂部的黑色設備是即將裝配在petitSat上發射升空的離子中性質譜儀。

Credits: NASA/W. Hrybyk

PetitSat衛星將於2021年從國際空間站發射，計劃研究中低緯度電離層密度的不規則性。這些電離層佔據了大氣層的一小部分，與熱層共存，距地球表面大約80至400千米。

電離層整體是等離子體，是由正離子和自由電子組成的電離氣體。電離層可以將無線電波反射回地球，對於遠程無線電通信來說非常重要，因而任何等離子體密度的擾動會對GPS和雷達信號造成幹擾。

這些擾動或不規則特性表現為電離層的局部缺失，又稱氣泡，即電子數量減少的結構；或電離層的局部增強，又稱斑塊，即電子數量增多的結構。此次任務的首席調查員Klenzing表示：「所有這些不規則性都會擾亂無線電波的傳遞。

斑塊與氣泡：一個不同的故事

在Klenzing看來先前的研究表明，斑塊是地磁赤道附近形成的氣泡的直接產物。然而，其他的觀察結果卻有不同觀點：在未涉及氣泡的區域也可觀察到斑塊，斑塊也可以在無氣泡的條件下形成。

這些觀察結果顯示有多種機制在其中起到作用，包括來自熱層的快速行進的聲重波 。熱層是大部分電離層所在的溫和的中性大氣層。事實上，包括來自熱層的快速行進的聲重波 。熱層是大部分電離層所在的溫和的中性大氣層。事實上，這些波狀的熱層結構通過大氣中離子部分和中性部分之間的阻力在電離層中產生波，一種稱為中尺度電離層行進式擾動 （Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances，簡稱MSTID）的現象。 由此產生的MSTID可進一步產生電場，電場可以將能量從夏半球運輸到冬半球。 科學家們認為那些觀察到的等離子體斑點是由這些電場產生的。

*注釋：在高層大氣中，中性部分和電離部分因受力不同，運動狀態也不同。但由於兩部分粒子間的碰撞頻繁，所以兩部分的運動有很強的相互影響。

「我們的任務是調查這兩種現象，即等離子體密度的增減測量（氣泡或斑塊），以及熱層中聲重波的運動之間的關係，」Klenzing說。

為了找到這兩者的聯繫，petitSat團隊將輸送兩個儀器進入太空：由Goddard中心開發的離子中性質譜儀（Ion-Neutral Mass Spectrometer，以下簡稱INMS）和由猶他州立大學和維吉尼亞理工學院提供的網格延遲離子漂移傳感器（Gridded Retarding Ion Drift Sensor，以下簡稱GRIDS）。INMS是世界上最小的質譜儀，它曾經服役於一個由美國國家科學基金會贊助的、名叫ExoCube的立方體衛星任務。

INMS質譜儀將測量地球大氣上遊各種顆粒的密度，觀察這些密度如何隨著日常和季節周期的變化而變化。同時，由大學提供的GRIDS儀器將測量離子的分布、運動和速度。

PetitSat即將搭載Goddard開發的離子中性質譜儀（左）和大學提供的網格延遲離子漂移傳感器進入太空。

Credits: NASA

基於Dellingr立方體衛星的petitSat任務

該團隊將把這些儀器整合到基於Dellingr立方體衛星的太空飛行器上。Goddard中心的工程師團隊專門創建了這款Dellingr 6U立方體衛星，以闡明小型太空船在可靠和經濟的同時能夠提供令人信服的科學數據。Dellingr預計將於8月份攜帶著INMS質譜儀，磁力儀和其他技術部件發射升空。

與Dellingr等將太陽能電池板裝在側面的太空飛行器不同，petitSat將配備可部署的太陽能陣列。這項改進更易於任務操作員將太陽能陣列對準太陽以便充電。INMS質譜儀的首席研究員Jones表示，petitSat還將攜帶更先進的星體跟蹤定位器。

當PetitSat被成功部署在地球上方400千米處的軌道後（與國際空間站的軌道一致），它所收集到的數據將與其他地面和空間設備的數據進行比較，Klenzing說。「通過比較分析，我們將為等離子體增強與MSTID之間有何聯繫的關鍵問題畫上句號。我們研究過一些零碎的東西，但是我們此前從未使用全面的設備進行探討。」

更多技術信息請參見：https://gsfctechnology.gsfc.nasa.gov/newsletter/Current.pdf

（編輯：Lynn Jenner 翻譯：Gingerbrad 校對：Mirai）返回搜狐，查看更多

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