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ICON——探索地球大气与空间环境关联的秘密


        20191010日,美国国家航天局(NASA)的Stargazer L-1011飞船从福罗里达州的卡拉维拉尔角携带运载火箭起飞,当飞船到大约12km的高空时,投放飞马座火箭,火箭上携带着这次发射的主角:电离层连接探测器(ionospheric connection Explorer, ICON)。

Stargazer L-1011飞船和ICON探测器(来自NASA 网站)

    从ICON的名字,我们就可以看出,这个探测器的主要目的是探测电离层及与之相关联的物理过程。电离层是地球上空60-1000km范围内的区域,它之所以单独命名是因为它含有丰富的自由电子,这些自由电子是因为中性大气接收到太阳的极紫外和X射电发生电离而形成的,虽然电子密度不到中性成份的1%,但足以影响无线电波的传播。对于现代社会的导航卫星、通信卫星来说,电离层的变化对于卫星信号的质量有非常重要的影响,会引起通信信号质量下降、导航定位精度增加,因此电离层一直是空间环境应用研究的重要区域。从空间上来说,电离层上游与太阳爆发活动、行星际扰动、磁层变化关系密切,是空间天气变化的重要组成部分,同时,电离层的下边界处于空间环境与地球地面环境的交接部分,其变化还会受到下游天气的影响。现在的研究发现,单纯的太阳活动或者空间天气的变化不足以解释电离层的变化行为,电离层与地球大气、甚至是地面的形状、地震、海啸等都有很大的关系。而ICON的目的就是对地球大气与空间环境之间的联系过程进行探测。

ICON探测的区域(来自NASA 网站)

        ICON将在地球上空约550km的高度上运行,它第一次将光学遥感探测和等离子体的就位探测结合在一起,能够同时探测电离层中的电动力学过程和化学变化过程。ICON携带有4种不同的仪器。两台用于全球高分辨率热成像的迈克尔逊干涉仪(MIGHTI),用于观察中性大气层的温度和风速;两支离子速度计(IVM)用于测量离子的漂移速度,从而可以得到电场的测量。极紫外线仪器(EUV)和远紫外线仪器(FUV)则可以进行远距离成像观测。EUV通过测量O+的辐射谱线可以得到电离层的密度和高度剖面。FUV通过对O135.6nmN2 157nm辐射的观测,可以得到白天大气密度成份的观测以及夜间电子密度的分布。通过ICON的观测,我们能解释能量和物质是怎样从地球的低层大气传入到空间环境中,引起电离层大尺度的逐日变化的。

 ICON探测器的配置(来自Space  Sci  RevDOI 10.1007/s11214-017-0449-2

        ICON卫星探测任务2011年提出后,其发射过程也是一波三折。原计划201811月发射,但由于Pegasus XL火箭数据异常,2018117L-1011 飞船没有进行发射。经过1年多的检验,在20191010ICON选择再次发射,但由于地面与飞船的通信问题,又错过了第一个发射窗口,后终于在第二个时间窗口(美国东部时间101021:59)成功发射。

        ICON将与NASA 20181月发射升空的“地球及边缘的全球范围观察”(GOLD)协同“作战”。GOLD从位于巴西上空的地球静止轨道的有利位置,可获得ICON将要研究的同一地区的全景视图。随着这两颗卫星数据的获得和分析,空间天气与我们地球的大气之间关联的秘密将会逐渐被揭开。

 


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