Prosjektbeskrivelse Maxidusty

1.Mål for Prosjektet

MAXIDUSTY  prosjektet (MXD)  ble startet opp i 2012 med siktemål å videreføre og videreutvikle den norske innsatsen for  å undersøke jordens midlere atmosfære ved instrumenterte  raketter, den eneste måten en kan foreta detaljerte in situ målinger.  MAXIDUSTY prosjektet  siktet  mot å skyte opp to nyttelaster, MXD-1  og MXD-1B i  2016.  Prosjektet  har som hovedformål å observere skypartikler (støv/is/meteor-røkpartikler) i mesosfæren og vil fly en rekke nye prober.  For første gang vil det bli foretatt en kjemisk masse-analyse av innholdet i NLC ispartiklene, i tillegg til målinger av størrelsesfordeling av is og røkpartikler, ladning av disse og effekt av sekundær-ladning.  Det vil også bli utført   eksperiment med mor-datter prober ved at  6 datter-prober  skytes ut og skal  måle 4D forhold i mesosfæren og NLC/PMSE  skyene der.  Slike målinger har aldri tidligere vært utført i mesosfæren. Andre basismålinger av plasma-parametere og fotometriske målinger av støv blir også utført. MXD-1 og MXD-1B skal ikke ha berging (recovery) av nyttelasten.  En fremtidig nyttelast MXD-2 (ennå ikke finansiert) er planlagt å ha med berging siden denne skal være utstyrt med en ny probe MESS (MEteoric Smoke Sampler) som vil fange inn og bringe tilbake meteoriske røkpartikler.

Kort beskrivelse av Prosjektet Maxidusty og nyttelasten MXD-1B.

      Prosjektet skal føre til  bygging, integrering av nyttelasten MXD-1B (motor Improved Malemute) og kampanje med  oppskyting fra Andøya Rakettskytefelt juli 2016, hvor også MXD-1 skal skytes.

Følgende instrument planlegges  fløyet på MAXIDUSTY-1B:

1)      MUDD  (Multiple Dust Detector) er en detektor (Univ. Tromsø) hvor NLC partikler  som slår inn i denne fragmenterer.  En MUDD er i juli/2011 blitt fløyet på den svenske PHOCUS nyttelasten hvor den fungerte  som planlagt og slo fast at kollisjonsfragment av NLC/PMSE partikler har en fordeling av størrelse fra under en nanometer til flere nanometer. Dette understøtter at is-partiklene inneholder et større antall meteor røkpartikler.  På MXD-1B vil vi fly 3 stk MUDD (derav navnet Multiple Dust Detector) med forskjellige og overlappende elektriske sweep-områder for derved å oppnå  en langt bedre oppløsning og nøyaktighet ved måling av kollisjons-fragment (Meteor Smoke Particles- MSP)  enn på PHOCUS-nyttelasten.

2)      DUSTY – dette er den klassiske støv-detektoren (Univ.Tromsø) som var den første som – i 1994 -  var i stand til å detektere elektrisk ladete støvpartikler.  Den vil gi den totale flux av ladete støvpartikler over ca 2 nm samt størrelse av sekundærladning. Dette er blant annet en referanse-probe for total støv ladningstetthet og total sekundær-ladning produksjon.

3)      ICON ( Identification of the COntent of NLC particles).  Denne er utviklet og testet ved UiT.  Samarbeid med Univ. Leeds/UK har vært viktig for å optimalisere innstillingene av ICON.  Proben leder innkommende ispartikler ned i et  kammer. Fordampingsproduktene fra isen kan passere gjennom et pinhole inn i et vakuum-kammer  med  massespektrometer. MXD-1 og MXD-1B vil bli de første nyttelaster hvor en vil analysere den kjemiske sammensetning av NLC/PMSE partikler.

4)      Frigjøring av  6 datterpayloader (Univ. Oslo). Dette vil bli det  første eksperiment med Mor-Datter prober i mesosfæren og dens skyer.

5)       4-Needle+Sphere Langmuir Probe (4-NSLP)  (Univ.Oslo),  for høyoppløselig absolutt målinger av elektrontetthet og elektrontemperatur.

6)      FFI-Positive ion probe  (Univ.Oslo).

7)      SRADS- Sounding Rocket Attitude Detection System (Univ. Oslo).

8)      Faraday rotation instrument for absolute electron density (Univ. Graz).

9)      IAP  (Instut für Atmosphären Physik) er med i prosjektet med sin omfattende park av   bakkeinstrumentering ved ARS.

10)  Satelittmålinger (AIM) vil bli tilgjengelige.

11)  EISCAT radarene og MORRO  radaren pluss EISCAT heating vil delta.

    MXD-1B nyttelasten vil inneholde de fleste av  probene som er med i MXD-1.  Hovedforskjellen er at fotometerseksjonen ikke er med på MXD-1B hvor den er erstattet av en Mor-Datter seksjon. Videre blir MiniMASS proben erstattet av en av UiT støv-probene.

     Det har vært et krav fra NRS at MXD-1 (og derved MXD-1B) prosjektet skal, om mulig, føre til synergi effekter og kompetanseoverførings-muligheter til  fremtidige rakettnyttelaster for mesosfæren, for eksempel MXD-2 nyttelasten. Dette vil i høy grad være tilfelle i Maxidusty prosjektet.  Massespektrometeret ICON i MXD-1 vil sveipe over  et   massetall fra 1 til 300 amu.  I MXD-1B vil vi  deretter  fokusere sveipområdet til områder pekt ut av ICON på MXD-1.  Dette vil gi raskere sveip og derved bedre masse og høydeoppløsing.  Andre instrument som vil fly på MXD-1B, som mor-datter payload og MUDD, vil også være instrument for fremtidige nyttelaster for mesosfæren og hvor erfaringene fra MXD-1 og MXD-1B vil bidra til optimal kvalitet og vitenskapelig utbytte.

Instrumentene for MXD-1B skal integreres i en 14 tommers nyttelast med split nesekone samt dører som skytes av i en mor-datter seksjon. 

Bakgrunn og behov

    Norge har  en sterk posisjon i utforskningen av den midlere atmosfære (mesosfære), som omfatter høydeområdet fra stratosfæren til ca 110 km.  Dette var lenge et høydeområde som var gitt relativt liten oppmerksomhet men i de siste par tiår har det vært en økende interesse som har vært ansporet av faktorer som: 1) en erkjennelse av at det er koblinger mellom alle deler av  atmosfæren og at en i klimamodeller ikke lenger kan begrense seg til de nedre tette luftlag. 2) at det skjer en utvikling i mesosfæren med sterkere skyer og øket utbredelse av skydannelse, noe som kan ha sammenheng med klimautvikling. 3)  at dette området også vil ha en innflytelse på kommunikasjon mellom satellitter og jord. 4) at reaktive molekyl (NOx med mer) som dannes i mesosfæren under partikkelnedbør, kan transporteres nedover og føre til  destruksjon av oson, noe som igjen kan påvirke oppvarming, bølgeforplanting og sirkulasjon i stratosfære-mesosfære området. 5) at de meteoriske røkpartiklene (MSP) , som dannes i mesosfæren, vil når de når stratosfæren, bidra til skydannelse og kjemi der.  Transportbildet for  MSP er dårlig kjent.

    MAXIDUSTY-1B vil måle et spekter av basis-parametere i mesosfæren,  med hovedvekt på å undersøke forhold vedrørende is/støvpartikler, som en til nå har få eller ingen målinger av.  Dette vil bli mulig ved at nye typer støv-prober  vil bli tatt i bruk (MUDD, ICON) og at en kan samkjøre disse ved andre  støv-prober som (MiniMASS, DUSTY) og  med bakgrunnsforholdene som plasmatetthet og temperatur. Datter-payloadene er også særdeles viktige idet de vil gi informasjon om den horisontale utstrekning av strukturer i NLC/PMSE skyene på en lengde-skala langt under det som nå kan oppnås med radar.   Den omfattende bakke-instrumentering ved ARS vil gi en uvurderlig støtte ved blant annet radar (MAARSY) og Lidar (ALOMAR) målinger. Satellitt-målinger  ved AIM/SOFIE vil også bli foretatt selv om de i juli ikke dekker breddegrader opp til Andøya Rakettskytefelt. 

Nytteverdi og forventede ringvirkninger

MAXIDUSTY prosjektet vil være en fortsettelse av den vellykkete innsats som norsk midlere atmosfære-forskning har hatt som pioner innen rakett og radar undersøkelser av jordens midlere atmosfære, i de siste par tiår med spesiell innsats på is/støv partikler og den rolle de spiller. Prosjektet vil  være et betydelig skritt videre i å utvide vårt kjennskap til forholdene i mesosfæren, noe som er nødvendig for å kunne inkludere denne delen av atmosfæren i realistiske modeller for klima og lang-tids værmelding.  Prosjektet vil være avgjørende for at Norge skal kunne opprettholde et høyt internasjonalt  nivå i feltet, ikke minst ved  forventete nye typer  målinger fra MUDD og ICON på MXD-1 og MXD-1B  (og innfangning og analyse av meteor røkpartikler ved proben MESS på en mulig fremtidig MAXIDUSTY-2).  Kompetansen som utvikles på instrumentsiden mht målinger av støv i den midlere atmosfære vil  bidra til at norsk/ASC  kompetanse innen støvmålinger vil dekke  høydeområdene  fra overflaten til over 100 km og derved styrke vår posisjon og innsats innen klimaforskning – hvor støv er en viktig men dårlig kjent faktor.  Det utstrakte internasjonale samarbeidet innen MAXIDUSTY vil også støtte opp under en fortsatt stor internasjonal interesse for bruk av ASC som basis for undersøkelser av blant annet støv i jordens atmosfære.