Tilbake til søkeresultatene

ROMFORSK-Program for romforskning

ICI 4DSpace 2014-2016 : Investigation of Cusp Irregularities by 4D Space measurements

Alternativ tittel: 4-Dimensjonale rakettmålinger av turbulens i dagnordlyset

Tildelt: kr 5,0 mill.

Energi fra solvinden forårsaker forstyrrelser på radiosignal i polkalotten. Satellittbaserte navigasjons- og kommunikasjonssystemer blir sterkt forstyrret under kraftige solstormer. GPS brukere som har høye krav til nøyaktighet og pålitelighet, ønsker et romvær-YR, som kan forhåndsvarsle GPS-problemer. For å kunne lage et romvær-YR, må vi først kunne beskrive den underliggende fysikken. I henhold til klassisk fysikk oppstår radiobølge-forstyrrelser på grunn av finskala strukturer i den elektrisk ladde gassen i atmosfæren - ionosfæren. Med ICI-rakettserien (Investigation of Cusp Irregularities) gjør vi direktemålinger på atmosfæreforstyrrelser i nordlyset. Gjennom dette prosjektet har vi utviklet et nytt verktøy for å utføre 3D-studier av turbulensfenomen i ionosfæren. 4DSpace modulen som huser 6 datternyttelaster ble testet to ganger i løpet av dette prosjektet. Første gang på MaxiDusty 1B i 2016, og andre gang på prøveoppskytingen av Nammo Raufoss sin hybridrakett (Nucleus) fra Andøya Space Center i 2018. Begge ganger mislyktes dette pga av tekniske årsaker som gjorde at vi ikke fikk vitenskapelige målinger. Det er grunn til å tro at GPS-forstyrrelsene er sterkest i høydelaget mellom 300-400 km hvor elektrontettheten i ionosfærens F-lag er størst. Høyoppløselige «in-situ» målinger er helt nødvendig for å kunne utforske de fysiske prosessene som genererer disse småskala strukturene i F-laget. Vi har hatt spesielt fokus på to mekanismer: i) Gradient Drift Instabilitet som opererer i bakkanten av elektronskyer i bevegelse, og ii) Kelvin-Helmholtz Instabilitet som oppstår der hvor det er kraftige vindskjær. I F-laget er det vindhastigheter på opptil flere tusen km/t. Vi har fått gode estimater på vekstrater i forstyrrelsene. Med ICI-3 avdekket vi en tredje type instabilitet. I samband med kraftige hastighetsskjær har vi avdekket både meterskala strukturer både i elektrontetthet og AC elektriske felt. Vi har brukt ICI-observasjoner som input i en numerisk stabilitetsanalyse for «Energy-Density Driven Instability» (IEDDI), og vi har vist at IEDDI kan drive «Electrostatic Ion-Cyclotron» (EIC) bølger i et bredt spektrum av bølgetall og frekvenser. IEDDI kan altså trigge sekundære prosesser som oppstår i skjærene mellom høyhastighets strømningskanaler. IEDDI mekanismen kan også være en meget effektiv mekanisme for oppvarming av plasma i ionosfærens F-lag, og gi muligens bidra til å akselerere oksygenpartikler i samband med dagnordlyset over Svalbard slik at de unnslipper jordas gravitasjonskrefter (ion outflow). Dette er en førti år gammel problemstilling hvor klassisk teori ikke ser ut til å strekke til. Vi har utført statistiske studier for å kartlegge hvor GPS scintillasjoner er lokalisert relativt til Cusp-nordlyset (Dagnordlyset over Svalbard). Det viser seg at GPS scintillasjonene i hovedsak er samlokalisert med Dagnordlyset, noe som indikerer at denne regionen er sterkt turbulent. Videre har vi ved hjelp av DMSP satellittdata inne i polkalotten oppdaget scintillasjonsregioner inne i polkalotten, som henger sammen med plasmaskyer (høy elektrontetthet) og elektronnedbør. Vi har utviklet UiOs nåleprobesystem for karakterisering av turbulens i ionosfæregass med den Japanske forskningsraketten SS-520-3. Ved integrasjonen av instrumentet høst 2017 ble det oppdaget en teknisk feil på det elektriske anlegget ombord i raketten. Det førte til at vi mistet oppskytingsmuligheten vinteren 2017/18. Oppskyting ble først utsatt til januar 2019. Men pga. at flere prosjekter konkurrerte om oppskyting i JAXA, ble SS-520-3 satt ytterligere på vent, og nå sist pga Covid-19. Nytt skytetidspunkt er ikke endelig besluttet, men blir tidligst vinteren 2021/22. Men Norge har nå et ferdig bygd og uttestet instrument som forventes å gi viktige observasjoner når JAXA-raketten engang skytes gjennom Dagnordlyset over Svalbard. Det er første gang et Norsk-bygget instrument flyr instrument på en Japansk sonderakett.

Universitetet i Oslo´s miniatyriserte måleprobesystem (multi-Needle Langmuir probe system» som opprinnelig ble utviklet for raketter, er også godt egnet for satellitter. Teknologien ble overført til Eidsvoll Elektronikk AS som nå har kvalifisert instrumentet for ESA satellitter. Et m-NLP instrument skal leverer til den Internasjonale romstasjonen (ISS). Dette er et resultat av den langsiktige satsningen på den norske ICI-serien forskningsraketter, gjennom flere prosjekter finansiert av Norges Forskningsråd, Norsk Romsenter, og European Space Agency. Intensjonen er fagkunnskapen utviklet innen plasmaturbulens i i Nordlyset er et viktig FoU bidrag til å utvikle «Romvær-YR» som kan varsle problemer med GNSS og radiokommunikasjon i Nordområdene.

Despite that plasma instabilities in the F-region polar cap ionosphere, powered by the solar wind, represents a space weather issue for navigation and communication systems, the underlying physical processes are still poorly understood. Research in this a rea has not progressed as fast as in the equatorial regions, as it is geometrically impossible for high-latitude ground based radar to obtain an appropriate backscatter angle at F-regions using VHF and UHF systems, and the resolution of HF systems is too coarse. Therefore, the only possibility to characterize these small-scales irregularities is by means of in-situ experiments, and sounding rockets represent a strong tool. GNSS users want scintillation forecast models, and the ultimate space weather produ ct will be to provide it. However, we are far from having a proper description of plasma irregularity formation and hence we are equally far from having a scintillation forecast model. The ICI-rocket program strategy is to develop building blocks for phys ically based models. The ICI-series of rockets has so far been focussed on testing specific instability modes and to quantify their growth rates. The next step is to investigate spatio-temporal variations with focus on decay rates. Due to ambiguity proble ms with 1D measurement by single rockets, there is a pressuring need to develop 3D in-situ measurement techniques. This will be materialized by the combination of rocket mother and miniaturized daughter payloads. In order to take advantage of 3D micro-sca le measurements we will develop 3D numerical codes to simulate the performance of rocket and daughters. These numerical tools will be used to optimize mother-daughter configurations, and to analyse the data afterwards. The rocket data will also be used in analysing the associated GNSS scintillations observed on ground during each flight. Because scintillations occur under a variety of physical conditions there is a need for the ICI rocket program to continue.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

ROMFORSK-Program for romforskning