为了拍摄大气泄漏的图像，NASA火箭小组向北进发

为了拍摄大气泄漏的图像，NASA火箭小组向北进发

在12月初一个寒冷的早晨，美国国家航空航天局(NASA)的一组火箭科学家将挤在挪威北部沿海偏远群岛斯瓦尔巴特群岛(Svalbard)的尼尔-阿勒松(Ny-Alesund)的控制室里。在世界最北端的火箭,由挪威Andøya航天中心,时钟可能读8点。但太阳不会升起——到那时，它已经一个多月没有从地平线上探出头来了。

在一个月的时间里，新奥勒松将成为美国国家航空航天局VISIONS-2任务火箭小组的所在地。VISIONS-2是通过中性原子传感器2观察离子流出的缩写。他们冒险来到这个极端的地方，近距离观察大气的逸散，也就是地球缓慢地将大气泄漏到太空的过程。了解地球上的大气逃逸现象在整个宇宙中都有应用——从预测哪些遥远的行星可能适合居住，到拼凑火星如何变成今天这样荒凉、裸露的景观。VISIONS-2计划于2018年12月4日前发射。

VISIONS-2由位于马里兰州格林贝尔特市的美国宇航局戈达德太空飞行中心的道格·罗兰(Doug Rowland)领导，是一项探测火箭任务，这是一种亚轨道火箭，在几分钟后返回地球之前，会进行短暂、有针对性的太空飞行。探空火箭因其高超的灵活性而在科学航天器中独树一群:它们可以被运送到遥远的地方，在那里，只要一接到通知，它们就会被瞄准并射入短暂的事件——比如北极光的突然形成。

北极光对VISIONS-2团队有着浓厚的兴趣，但不仅仅是因为它超凡脱俗的光芒。极光的作用是大气逃逸过程的基本驱动因素，在这个过程中，行星，包括地球，逐渐将它们的大气泄漏到太空中。“地球正在减肥，”戈达德太空物理学家、专门研究大气逃逸的托马斯·摩尔(Thomas Moore)说。“有足够的观测资料表明，任何地方每天都有100到几百吨的大气层进入太空。”(别担心——摩尔估计，按照这个速度，地球的大气层将保持10亿年左右。)

至少从1904年开始，我们就怀疑地球正在失去大气层，当时詹姆斯·琼斯爵士首次发表了他的著作《气体动力学理论》，为大气逃逸奠定了理论基础。但有一种元素正在流失，这仍然是一个谜。科学家们长期以来一直认为，氧的重量是氢的16倍，它太重了，无法逃脱地球的引力。“要逃离地球，氧气需要大约100倍于它通常拥有的能量，”罗兰德说，他是这次任务的首席研究员。“只有最微小的一部分才能成功。”但当科学家们最终在六七十年代进行研究时，他们发现情况并非如此。事实上，近地空间充满了比任何人预想的更多的地球携带的氧气。“可是它是怎么爬上去的呢?”你需要一些过程来给氧气提供足够的能量，使其逸出。

事实证明，极光就是这样一个过程。极光是由高能电子在近地空间的电场和磁场中加速撞击并激发大气中的气体而形成的，这些气体在放松到较低的能态时，会发出红色、绿色和黄色的明亮色调。但这些不受控制的电子也会在这一过程中造成一连串的破坏，包括驱动电流，将上层大气加热成斑点状。在某些情况下，这种加热足以使游离的氧原子有足够的能量逃逸。罗兰说:“这就像在汤里放一个加热元件，最终，汤就会沸腾起来。”

2013年，他们从阿拉斯加的扑克平原研究区(Poker Flat Research Range)发射了当前任务的前身visios -1，在那里，他们研究了极光的氧气外流。极光形成于地球的夜晚，是地球上暂时远离太阳的部分。在VISIONS-2任务中，该团队将前往地球上一个独特的地方，在那里可以找到白天的极光。

斯瓦尔巴特群岛每天有一次经过地球磁层中被称为极尖的一个不寻常的地方。极地尖端形成于地球面向太阳的那一面的南北极，它们是太阳风中的粒子能够直接流进我们大气层的唯一地方。这些尖峰就像地球和太空之间的磁性桥梁，来自太阳的高能电子撞击大气粒子，形成了白天的极光。

VISIONS-2将发射两枚火箭进入北极尖端，在那里它将使用成像技术绘制出极光的氧气流出图。使用这种技术，VISIONS-2采用了不同于许多其他任务的方法，这些任务试图合并来自许多流出事件的数据。相反，VISIONS-2希望获得关于单个氧气流出事件的大量数据。并非所有的流出事件都是相同的，但对其中一个事件的详细了解将提供重要的科学价值。

罗兰说:“这就像如果你想研究龙卷风，你可以测量各种龙卷风从你家附近不同距离飞过时的风速。”“你会得到一张‘普通’龙卷风的图片。”相反，我们想做的是全面观察一场龙卷风，了解它是如何具体运作的。VISIONS-2是关于检查白天极光(在极尖内)的氧气加热和充能过程是否和如何与夜晚极光相同。这远不是一个预料中的结论，因为白天和黑夜显示出一些明显的不同。罗兰解释说:“尖端流出的离子更稳定，能量更低，而在阴暗面流出的离子则更猛烈，能量可能更高。”“此外，尖端和夜景的环境不同，所以我们在寻找共性和不同点。”

visiens -2不会是唯一从这个偏远地区发射的火箭:它是未来14个月作为“大挑战计划”(Grand Challenge Initiative)的一部分发射的九枚探空火箭中的第一枚。“大挑战”项目吸引了来自美国、加拿大、挪威、英国和日本的研究人员，是一项旨在探索北极尖端的国际合作，有望破解地球和太空之间这个不同寻常的门户的密码。

VISIONS-2计划于2018年12月从斯瓦尔巴特群岛(Svalbard)的Ny-Alesund火箭发射场发射。发射窗口从12月4日到18日。