p Em 8 de dezembro, 2017, NASA lança o Ionospheric Connection Explorer, ou ICON, um satélite em órbita baixa que nos dará novas informações sobre como a atmosfera da Terra interage com o espaço próximo à Terra - uma troca que desempenha um papel importante na segurança de nossos satélites e na confiabilidade dos sinais de comunicação. p Especificamente, ICON investiga as conexões entre a atmosfera neutra - que se estende daqui perto da superfície até muito acima de nós, na borda do espaço - e a parte eletricamente carregada da atmosfera, chamada de ionosfera. As partículas da ionosfera carregam carga elétrica que pode interromper os sinais de comunicação, fazer com que os satélites em órbita baixa da Terra se tornem eletricamente carregados, e, em casos extremos, causar quedas de energia no solo. Posicionada na borda do espaço e mesclada com a atmosfera neutra, a resposta da ionosfera às condições da Terra e do espaço é difícil de definir.

p "As condições em nosso ambiente espacial - clima espacial - é algo que precisamos ser capazes de prever, "disse Thomas Immel, investigador principal da missão ICON da Universidade da Califórnia, Berkeley. "É difícil prever as condições da ionosfera amanhã com base no que medimos hoje."

p Interface da Terra com o espaço

p À medida que se sobe cada vez mais acima da superfície da Terra, a atmosfera fica gradualmente mais tênue. Os efeitos dessas mudanças podem ser sentidos apenas alguns quilômetros acima do nível do mar, por exemplo, os escaladores de algumas das montanhas mais altas do mundo costumam usar tanques de oxigênio para respirar. Mas ainda mais alto, cerca de 60 milhas acima da superfície da Terra, a atmosfera torna-se tão rarefeita que os aviões não podem voar. É aqui que o espaço começa.

p Mesmo além desta fronteira de espaço, A atmosfera da Terra continua a se estender para cima - ela fica mais fina e tênue quanto mais alto você vai. Esta região está acima da camada de ozônio da Terra, portanto, fica exposto a todo o impacto da radiação solar. A forte radiação ultravioleta torna-se estável, moléculas neutras, transformando-os de algo semelhante ao ar que respiramos em formas mais reativas de gás, como oxigênio atômico. Esses compostos reativos na atmosfera neutra superior produzem um fraco, brilho global, chamado airglow.

p Mas a luz do sol não pára por aí. Ele continua quebrando essas moléculas atmosféricas, eliminando elétrons, que deixa um mar de elétrons e íons carregados. Esta população de partículas eletricamente carregadas é a ionosfera, e existe no mesmo espaço que a extremamente fina atmosfera neutra superior.

p Isso torna nossa interface com o espaço e uma região única, onde gases carregados e neutros coexistem. É moldado por padrões climáticos e ventos da Terra abaixo, e mudança de campos elétricos e magnéticos e clima espacial de cima.

p "O ICON tem como objetivo entender como o clima da Terra modifica o clima espacial, "disse Doug Rowland, cientista da missão da ICON no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Estamos observando como o clima em que vivemos - chuva, aquecer, neve, tempestades, furacões - afetam o ambiente espacial acima de nós. "

p O clima espacial é frequentemente desencadeado por mudanças no Sol, que libera um fluxo constante de material magnetizado chamado de vento solar junto com explosões menos frequentes, porém mais intensas de material solar, chamadas de ejeções de massa coronal. Os campos magnéticos embutidos neste material solar podem deformar o campo magnético natural da Terra, criando campos elétricos e magnéticos variáveis ​​no espaço próximo à Terra. O gás eletricamente carregado da ionosfera, chamado plasma, reage exclusivamente a esses campos elétricos e magnéticos variáveis.

p Muitos satélites em órbita terrestre baixa, incluindo a Estação Espacial Internacional, voar através da ionosfera. Ele também atua como um canal para muitos de nossos sinais de comunicação, como ondas de rádio e os sinais que fazem os sistemas GPS funcionarem. Mudanças não previstas na ionosfera, como ondulações e bolhas de plasma denso, pode ter impactos significativos em nossa tecnologia e comunicação.

p "Ondas de rádio de ondas curtas refletem na ionosfera, e os sinais dos satélites GPS têm que passar, "disse Immel." As mudanças na densidade afetam diretamente as comunicações e a navegação. "

p Compreender os detalhes do que influencia a ionosfera e causa interrupções de sinal tem sido historicamente difícil, em parte por causa da gama de fatores que podem alterar a ionosfera. Por décadas, os cientistas pensaram que a ionosfera respondia apenas às mudanças nas condições do espaço. Novos dados nas últimas décadas, Contudo, provou que essa suposição estava errada, e revelou que ainda há muito a aprender sobre as forças que moldam a ionosfera.

p "O que descobrimos, usando dados de uma missão da NASA chamada IMAGE, foi que esta região da alta atmosfera e da ionosfera estava realmente respondendo aos efeitos relacionados aos sistemas meteorológicos próximos à superfície da Terra, "disse Scott England, Cientista do projeto ICON baseado na Virginia Tech em Blacksburg. IMAGEM, abreviação de Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, estudou a magnetosfera da Terra de 2000 a 2005. "Isso foi realmente inesperado na época, para ver uma conexão. Onde as partículas carregadas estavam, quantos eram, quão denso era o gás - eles estavam respondendo aos padrões climáticos próximos à superfície da Terra. "

p Bolsões de alta ou baixa pressão são produzidos perto da superfície da Terra por furacões, tempestades, ou mesmo fenômenos tão simples como um vento constante sobre uma cordilheira. Essas diferenças de pressão podem se propagar até as partes mais altas da alta atmosfera e influenciar os ventos nesta região. A função exata que esses ventos - e, por extensão, clima terrestre - jogar na formação da ionosfera é uma questão importante, e um que os cientistas esperam que o ICON responda.

p “Achamos que os ventos estarão diretamente relacionados ao campo elétrico medido na espaçonave, mas não sabemos, "disse Immel." Ninguém nunca fez essa medição, para que ninguém saiba o que vamos ver. "

p Olhos na ionosfera

p O ICON explora essas conexões entre a atmosfera neutra e a ionosfera eletricamente carregada com quatro instrumentos. Três desses quatro instrumentos contam com um dos fenômenos mais espetaculares da atmosfera superior:o airglow.

p O Airglow é criado por um processo semelhante que cria a aurora:o gás é excitado e emite luz. Embora as auroras estejam tipicamente confinadas às latitudes extremas do norte e do sul, airglow acontece constantemente em todo o mundo, e é muito mais fraco. Mas ainda é brilhante o suficiente para os instrumentos do ICON criarem uma imagem da densidade, composição e estrutura da ionosfera.

p Um desses instrumentos de medição de luminescência é o MIGHTI, abreviação de Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging. Projetado e construído pelo Naval Research Lab em Washington, D.C., MIGHTI mede o deslocamento Doppler dos gases brilhantes da alta atmosfera e da ionosfera.

p "O deslocamento Doppler é o mesmo processo que você pode ouvir quando ouve uma sirene em uma ambulância:tem um tom diferente quando a ambulância está se aproximando e se afastando de você, "disse Inglaterra." A mesma coisa está acontecendo com a luz do airglow.

p Quando o airglow de produção de gás se move em direção ou para longe do ICON, empurrado pelos ventos, os comprimentos de onda são esticados ou comprimidos. Porque os cientistas sabem quais espécies químicas produzem luminescência na atmosfera superior, eles sabem muito especificamente que comprimento de onda - ou cor - essa luz deve ter. A luz deslocada por Doppler tem uma tonalidade ligeiramente diferente que o MIGHTI pode detectar, e de lá, os cientistas podem deduzir a velocidade e direção dos ventos nesta região.

p Instrumentos semelhantes ao MIGHTI já voaram em missões espaciais antes, mas com uma diferença fundamental. Os interferômetros espaciais anteriores usavam peças móveis para alterar a distância entre diferentes refletores e detectores, a fim de medir cada comprimento de onda da luz. Mas o MIGHTI usa uma ferramenta chamada grade de difração - semelhante a um espelho com linhas gravadas nele que refletem a luz de uma certa maneira - para separar a luz que vê em seus comprimentos de onda componentes simultaneamente. Isso significa que MIGHTI pode medir vários comprimentos de onda ao mesmo tempo, tornando o instrumento mais sensível.

p "MIGHTI pode medir mudanças na velocidade do vento de cerca de 10 milhas por hora, "disse Inglaterra." Se você traduzir isso na mudança real no comprimento de onda, isso é uma mudança de cerca de 1 em 100 milhões. "

p Outro instrumento airglow, o instrumento ultravioleta distante, usa uma técnica avançada de desfocagem chamada integração de retardo de tempo para enviar de volta mais informações para cientistas dentro das restrições de largura de banda de dados da espaçonave.

p "Temos largura de banda para enviar um instantâneo a cada 12 segundos, mas a espaçonave se move cerca de cem quilômetros nesse período de tempo, e as estruturas que queremos ver têm apenas alguns quilômetros de largura, "disse Rowland." Você iria manchar todas essas estruturas de pequena escala. "

p O que o instrumento Far Ultraviolet faz em vez disso, disse Rowland, é tirar oito instantâneos por segundo - quase cem vezes mais dados que o ICON pode enviar - e combiná-los, com cada um deslocado apropriadamente para levar em conta o empenamento e a geometria da espaçonave. Este processamento, que tudo acontece no computador de bordo do ICON, cria uma única imagem que pode ser enviada de volta para a Terra dentro da largura de banda alocada. Isso combina as vantagens de uma longa exposição, compactando os dados, enquanto mantém o foco nítido que dá aos cientistas uma visão detalhada das estruturas nas quais estão interessados. Os comprimentos de onda medidos por FUV são produzidos por certos tipos de moléculas de oxigênio e nitrogênio no lado da Terra, bem como íons de oxigênio no lado noturno da Terra.

p Terceiro instrumento de airglow do ICON, EUV - abreviação de instrumento ultravioleta extremo - mede comprimentos de onda de luz mais curtos do que FUV. Airglow medido por EUV é produzido por íons de oxigênio no lado diurno da Terra, que constituem a maior parte da ionosfera diurna da Terra. Os dados do EUV revelarão detalhes sobre a estrutura da ionosfera durante o dia - como até onde ela se estende, e onde bolsões de plasma mais denso se formam - que podem mudar a interação da ionosfera com sinais de comunicação e satélites.

p Enquanto os três instrumentos de airglow do ICON medem a temperatura, velocidade e composição dos gases a quilômetros de distância da espaçonave, um par de instrumentos idênticos in situ caracteriza o gás carregado ao redor da espaçonave. Os dois medidores de velocidade de íons, ou IVMs, fazer medições muito precisas do ângulo em que o gás ionizado entra no instrumento, ajudando os cientistas a entender como esse gás ionizado ao redor da espaçonave está se movendo.

p No passado, os cientistas podem ter que combinar instrumentos de espaçonaves diferentes - às vezes até de anos diferentes - para tentar fazer conexões entre a baixa atmosfera, atmosfera neutra superior e ionosfera. But one of ICON's main advances is the combination of data from its four instruments at the same place and time

p "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."

p 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.

p 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.

p "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."

p 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.

p 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.