Các nhiễu loạn khí quyển xung quanh các tên lửa phát ra Đường đi Nhật thực (APEP) sẽ phóng từ Cơ sở bay Wallops của NASA ở Virginia để nghiên cứu các nhiễu loạn trong tầng điện ly được tạo ra khi Mặt trăng che khuất Mặt trời. Các tên lửa phát ra âm thanh trước đó đã được phóng và thu hồi thành công từ Cơ sở Thử nghiệm White Sands ở New Mexico, trong hiện tượng nhật thực hình khuyên vào tháng 10 năm 2023 . Chúng đã được tân trang lại với thiết bị đo mới và sẽ khởi động lại vào tháng 4 năm 2024. Nhiệm vụ được dẫn dắt bởi Aroh Barjatya, giáo sư vật lý kỹ thuật tại Đại học Hàng không Embry-Riddle ở Florida, nơi ông chỉ đạo Phòng thí nghiệm Thiết bị Khí quyển và Không gian.
Bức ảnh này chụp ba tên lửa phát thanh APEP và đội hỗ trợ sau khi lắp ráp thành công. Trưởng nhóm, Aroh Barjatya, đứng ở trung tâm trên cùng, đứng cạnh lan can trên tầng hai.
Các tên lửa phát ra âm thanh sẽ phóng vào ba thời điểm khác nhau: 45 phút trước, trong và 45 phút sau nhật thực cục bộ cực đại. Những khoảng thời gian này rất quan trọng để thu thập dữ liệu về sự biến mất đột ngột của Mặt trời ảnh hưởng đến tầng điện ly như thế nào, tạo ra những xáo trộn có khả năng cản trở hoạt động liên lạc của chúng ta.
Hoạt hình khái niệm này là một ví dụ về những gì người quan sát có thể mong đợi nhìn thấy trong nhật thực toàn phần, giống như hiện tượng xảy ra ở Hoa Kỳ vào ngày 8 tháng 4 năm 2024.
Studio trực quan khoa học của NASA.
Tầng điện ly là một vùng khí quyển của Trái đất nằm ở độ cao từ 55 đến 310 dặm (90 đến 500 km) so với mặt đất. Barjatya cho biết: “Đó là một khu vực được điện khí hóa, phản xạ và khúc xạ các tín hiệu vô tuyến, đồng thời cũng ảnh hưởng đến thông tin liên lạc của vệ tinh khi tín hiệu truyền qua”. “Hiểu được tầng điện ly và phát triển các mô hình giúp chúng ta dự đoán các nhiễu loạn là rất quan trọng để đảm bảo thế giới ngày càng phụ thuộc vào thông tin liên lạc của chúng ta hoạt động trơn tru.”
Tầng điện ly tạo thành ranh giới giữa bầu khí quyển thấp hơn của Trái đất – nơi chúng ta sống và thở – và chân không của không gian. Nó được tạo thành từ một biển các hạt bị ion hóa hoặc tích điện từ năng lượng của Mặt trời hoặc bức xạ mặt trời. Khi màn đêm buông xuống, tầng điện ly mỏng đi khi các hạt bị ion hóa trước đó giãn ra và kết hợp trở lại thành các hạt trung tính. Tuy nhiên, thời tiết trên mặt đất và thời tiết không gian của Trái đất có thể tác động đến các hạt này, khiến nó trở thành một vùng năng động và khó biết tầng điện ly sẽ như thế nào tại một thời điểm nhất định.
Một hình ảnh động mô tả những thay đổi trong tầng điện ly trong khoảng thời gian 24 giờ. Các dải màu đỏ và màu vàng tượng trưng cho các hạt ion hóa mật độ cao trong ngày. Các chấm màu tím tượng trưng cho các hạt trung tính, thư thái vào ban đêm.
Thường rất khó để nghiên cứu những thay đổi ngắn hạn trong tầng điện ly khi xảy ra nhật thực bằng vệ tinh vì chúng có thể không ở đúng địa điểm hoặc thời điểm để đi qua đường nhật thực. Vì ngày và giờ chính xác của nhật thực toàn phần đã được biết, NASA có thể phóng tên lửa phát ra âm thanh có mục tiêu để nghiên cứu ảnh hưởng của nhật thực vào đúng thời điểm và ở mọi độ cao của tầng điện ly.
Khi bóng nhật thực chạy xuyên qua bầu khí quyển, nó tạo ra cảnh hoàng hôn nhanh chóng, cục bộ, gây ra các sóng khí quyển quy mô lớn và các nhiễu loạn hoặc nhiễu loạn quy mô nhỏ. Những nhiễu loạn này ảnh hưởng đến các tần số liên lạc vô tuyến khác nhau. Việc thu thập dữ liệu về những nhiễu loạn này sẽ giúp các nhà khoa học xác nhận và cải thiện các mô hình hiện tại giúp dự đoán những nhiễu loạn tiềm ẩn đối với thông tin liên lạc của chúng ta, đặc biệt là liên lạc tần số cao.
Hình ảnh động mô tả các sóng được tạo ra bởi các hạt bị ion hóa trong nhật thực toàn phần năm 2017.
Đài thiên văn MIT Haystack/Shun-rong Zhang. Zhang, S.-R., Erickson, PJ, Goncharenko, LP, Coster, AJ, Rideout, W. & Vierinen, J. (2017). Sóng cung tầng điện ly và nhiễu loạn do Nhật thực ngày 21 tháng 8 năm 2017 gây ra. Thư nghiên cứu địa vật lý, 44(24), 12,067-12,073. https://doi.org/10.1002/2017GL076054.
Tên lửa APEP dự kiến sẽ đạt độ cao tối đa 260 dặm (420 km). Mỗi tên lửa sẽ đo mật độ hạt tích điện và trung tính cũng như điện trường và từ trường xung quanh. Barjatya giải thích: “Mỗi tên lửa sẽ phóng ra bốn thiết bị phụ có kích thước bằng chai nước ngọt hai lít cũng đo được các điểm dữ liệu giống nhau, do đó, nó tương tự như kết quả từ mười lăm tên lửa, trong khi chỉ phóng ba tên lửa”. Ba thiết bị phụ trên mỗi tên lửa được chế tạo bởi Embry-Riddle và thiết bị thứ tư được chế tạo tại Đại học Dartmouth ở New Hampshire.
Ngoài tên lửa, một số đội trên khắp nước Mỹ cũng sẽ thực hiện các phép đo tầng điện ly bằng nhiều phương tiện khác nhau. Một nhóm học sinh từ Embry-Riddle sẽ thả một loạt khinh khí cầu ở độ cao lớn. Các nhà đồng điều tra từ Đài thiên văn Haystack của Viện Công nghệ Massachusetts ở Massachusetts và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân ở New Mexico sẽ vận hành nhiều loại radar trên mặt đất để thực hiện các phép đo. Sử dụng dữ liệu này, một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Embry-Riddle và Johns Hopkins đang tinh chỉnh các mô hình hiện có. Cùng với nhau, những nghiên cứu khác nhau này sẽ giúp cung cấp những mảnh ghép cần thiết để nhìn thấy bức tranh lớn hơn về động lực học tầng điện ly.
Một tên lửa đo âm thanh có thể mang các dụng cụ khoa học cách bề mặt Trái đất từ 30 đến 300 dặm. Những độ cao này thường quá cao đối với khinh khí cầu khoa học và quá thấp để vệ tinh có thể tiếp cận an toàn, khiến tên lửa đo âm thanh trở thành nền tảng duy nhất có thể thực hiện các phép đo trực tiếp ở những khu vực này.
Trung tâm bay không gian Goddard của NASA
Khi tên lửa phát ra âm thanh APEP được phóng trong thời kỳ nhật thực hình khuyên năm 2023, các nhà khoa học đã nhận thấy mật độ các hạt tích điện giảm mạnh khi bóng nhật thực hình khuyên đi qua bầu khí quyển. Barjatya cho biết: “Chúng tôi đã thấy những nhiễu loạn có khả năng ảnh hưởng đến liên lạc vô tuyến trong tên lửa thứ hai và thứ ba, nhưng không phải trong lần phóng tên lửa đầu tiên trước nhật thực cục bộ cực đại”. “Chúng tôi rất vui mừng được khởi động lại chúng trong thời gian nhật thực toàn phần, để xem liệu các nhiễu loạn có bắt đầu ở cùng độ cao hay không và liệu cường độ và quy mô của chúng có giữ nguyên hay không.”
Nhật thực toàn phần tiếp theo trên vùng lãnh thổ Hoa Kỳ phải đến năm 2044, vì vậy những thí nghiệm này là cơ hội hiếm có để các nhà khoa học thu thập dữ liệu quan trọng.
Các buổi ra mắt APEP sẽ được phát trực tiếp qua trang YouTube chính thức của NASA Wallops và được giới thiệu trong chương trình phát sóng chính thức của NASA về nhật thực toàn phần. Công chúng cũng có thể trực tiếp theo dõi các vụ phóng từ 1-4 giờ chiều tại Trung tâm Du khách Cơ sở Chuyến bay Wallops của NASA .
