4DSpace investigation of plasma turbulence in the cusp ionosphere

Solvinden genererer turbulens i øvre lag av den polare atmosfæren. Dette gir forstyrrelser på radiosignal. Kraftige solstormer kan blokkere satellittbaserte navigasjons- og kommunikasjonssystemer. Med hensyn til sikkerhet i Arktis ville det vært gunstig om vi kunne varsle bortfall av GPS. Romværvarsel forutsetter at vi kan beskrive den underliggende fysikken. Det er kritisk nødvendig med høyoppløselige måledata for å teste ut alternative modeller, og vi bruker raketter. 4DSpace var en del av det internasjonale samarbeidsprosjektet Grand Challenge Initiative - Cusp (GCI-Cusp). GCI-Cusp var et gigantisk samarbeidsprosjekt, som beståd av 12 raketter (en Japansk, ti Amerikanske, og en Norsk). «Cusp» er faguttrykket for energitrakten fra solvinden og ned til jordas atmosfære. I flere timer hver eneste dag ligger Svalbard under denne energitrakten. Dagnordlyset over Svalbard er fotpunktet til cuspen og Svalbard er et vindu mot verdensrommet. UiO fløy vitenskapelig instrument på seks av rakettene i GCI-cusp prosjektet. Sammen med våre internasjonale kolleger har vi arbeidet intenst med å klargjøre dataene til vitenskapelig bruk. Hovedinnsatsen i 4DSpace prosjektet var fokusert mot undersøkelse av forskjellige typer plasma instabiliteter. Vi har utviklet et eksperiment for 3D-observasjoner av plasma turbulens. Det er foretatt to tekniske tester av 4DSpace modulen som huser 6 datternyttelaster. Første gang på Nucleous raketten i september 2018, og andre gang på studentraketten G-CHASER i Januar 2019, begge fra Andøya. Raketten var utstyrt med to 4DSpace moduler, dvs. 12 døtre som skal løses ut fra raketten. Sammenstilling av målingene skal gi oss 3D informasjon om turbulens. Dette har aldri vært forsøkt tidligere og har forberedt et slikt robust system for framtidige raketter.

- Med dette prosjektet har vi vært partner i en av de største internasjonale kampanjene for utforskning av cusp ionosfæren med sonde raketter Grand Challenge Cusp. Det har styrket Norges rolle i forskning på ionosfæren med sonde raketter. - Våre vitenskapelige instrumenter har blitt videreutviklet og modernisert, og vi fløy dem på flere raketter. Dette har åpnet for muligheter for å sende tilsvarende instrumenter ut i verdensrommet. Vi har også blitt invitert til nye rakettkampanjer. - Som et resultat av dette prosjektet er instrumentene våre på vei til Månen, og skal snart lande der med en "lunar rover". Instrumentene våre vil bli sendt til den internasjonale romstasjonen våren 2023. - Et nytt konsept for 4DSpace modul gir mulighet for flere uavhengige målinger av turbulens og struktruer i ionosfæren og har potensial til å bli en standartmodul som kan tilbys for flere raketter i framtiden. - Prosjektet har åpnet for nye prosjekter med finansiering fra internasjonale og nasjonale kilder.

Cycle slips in GPS receivers frequently occur due to plasma density irregularities at high latitudes, even during solar minimum conditions. Recent observations have revealed that cusp auroral dynamics significantly amplify radio signal disturbances. The primary objective for this project is to explore the physical properties of the auroral cusp. In this project we are going to develop a 3D in-situ measurement technique for the Investigation of Cusp Irregularities (ICI) rocket program. Utilizing the miniaturized multi-Needle Langmuir probe system, we are going to instrument 12 ice-hockey puck sized daughter payloads to achieve multi-point measurements. The mini-payloads will be released 4 by 4, in two perpendicular directions, and travel at ~8 m/s relative to the main rocket body, to configure three squares around the rocket. During the flight we expect a final separation between the sub-payloads and the rocket of about 2.5 km and the largest separation between sub-payloads will be about 5 km. This innovative experiment will enable us to explore the 3D nature of turbulent structures. ICI-5 was launched from Ny-Ålesund in December 2019. We will use all available ground instruments, including EISCAT Svalbard Radar, the Longearbyen SuperDARN radar, and auroral instruments at the Kjell Henriksen Observatory, to precisely determine the optimal launch condition. ICI-5 was be part of the Grand Challenge Initiative Cusp rocket program, currently consisting of 10 rockets. This is an historic opportunity and our project is very timely. UiO has flown the novel 4-NLP system onboard 3 NASA rockets. We also flew it on the CAPER-2 payload from Andøya over Svalbard and will fly it on the JAXA rocket from Svalbard in January 2022. Information gathered by all rockets and the ground instruments will provide critical information about the drivers for the plasma turbulence.