Инженеры разработали решение давней проблемы изучения мезосферы – области атмосферы, где воздух недостаточно плотный для авиации, но слишком густой для космических аппаратов. Предлагается использовать солнечный свет для подъема измерительного оборудования в этот слой и удержания его там в течение продолжительного времени, благодаря уникальной конструкции зондов.
На высотах от 50 до 80-100 километров над поверхностью Земли наблюдаются значительно более низкие температуры, чем в Антарктиде, поскольку они достигают отметки в минус 150 градусов Цельсия. В термосфере, расположенной выше, температура повышается благодаря воздействию солнечной радиации, которая выбивает электроны из атмосферных частиц, что приводит к их нагреву. Этот переходный слой именуется мезосферой.
Живописные облака, явления, излучающие свет в ночном небе после захода солнца, формируются в этих областях. В последнее время исследователи, изучающие изменения климата, стали уделять им повышенное внимание, главным образом, из-за любопытного парадокса: повышение температуры на Земле вследствие парникового эффекта сопровождается понижением температуры в мезосфере.
Поскольку переизлученное тепло не задерживается другими молекулами, оно свободно направляется в космос. Повышение температуры поверхности приводит к тому, что мезосфера насыщается водяным паром, который быстро замерзает, формируя самые высокие в атмосфере облака. Климатологи воспринимают их частое появление на относительно небольшой высоте как повод для беспокойства.
Мезосфера остается наименее исследованной областью атмосферы и даже получила неофициальное название «игноросфера». Проблема заключается в том, что самолеты не способны достичь такой высоты, а для спутников она слишком низка, поскольку частицы атмосферы создают значительное сопротивление, что может привести к быстрому сходу аппарата с орбиты. Следует отметить, что даже на высоте более 400 километров атмосферные частицы постоянно замедляют Международную космическую станцию, поэтому для поддержания ее орбиты требуется регулярное использование двигательных импульсов.
Изучение мезосферы с помощью космических аппаратов — задача сложная: например, в период с 2007 по 2023 год зонд NASA AIM проводил ее исследование, однако наблюдал целевой воздушный слой с высоты 600 километров. Внутри мезосферы побывать способны только суборбитальные ракеты, но их полет длится всего 15-20 минут. За это короткое время датчики успевают зафиксировать ограниченное количество информации.
Недавно исследователи из Соединенных Штатов, Южной Кореи и Бразилии предприняли попытку решения этой задачи. Их работа опубликована в статье для Nature они изложили концепцию миниатюрных зондов, которые должны подняться в мезосферу и курсировать в ней, возможно, много дней подряд. Летать они, по замыслу, будут под действием солнечного нагрева.
На планах предусматривается установка датчиков и устройств связи на очень тонкой и легкой мембране шириной шесть сантиметров. Под воздействием солнечного излучения мембрана будет нагреваться, что приведет к отталкиванию расположенных рядом мезосферных частиц от ее освещенной поверхности. Именно это создает движение. Данный эффект известен как фотофорез. Обычно движение происходит в сторону от источника света, однако в рассматриваемом сценарии оно направлено вниз.
Суть заключается в том, что мембрана должна быть выполнена в виде перфорированной структуры, то есть содержать большое количество отверстий. Это позволит нагретым частицам проникать под нее и, таким образом, увеличивать «давление» на атмосферу. Атмосфера, в свою очередь, окажет этому равноценное сопротивление снизу и начнет «поднимать» конструкцию вверх.
С помощью лазера ученым удалось поднять подобные диски в вакуумной камере, где были воссозданы условия, характерные для мезосферы. Ширина мембран составляла приблизительно один сантиметр, а их толщина была не менее чем в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Для изготовления использовался оксид алюминия, покрытый с одной стороны слоем хрома.
Согласно проведенным расчетам, запуск таких зондов в околоземное пространство на высоте около 50 километров может быть осуществлен с использованием аэростата, после чего они смогут продолжить полет самостоятельно. Устройства будут продолжать подниматься в течение всего дня, а с наступлением вечера снова опускаться. Однако это не обязательно является окончанием миссии: исследователи рассчитывают создать зонды с достаточной легкостью, чтобы они за ночь не вернулись на Землю, а с восходом солнца их полет продолжился бы по аналогичной траектории.