ICON——探索地球大气与空间环境关联的秘密

来源：国家空间科学中心

作者：陈艳红

2019年10月10日，美国国家航天局（NASA）的Stargazer L-1011飞船从福罗里达州的卡拉维拉尔角携带运载火箭起飞，当飞船到大约12km的高空时，投放飞马座火箭，火箭上携带着这次发射的主角：电离层连接探测器（ionospheric connection Explorer, ICON）。

Stargazer L-1011飞船和ICON探测器（来自NASA 网站）

从ICON的名字，我们就可以看出，这个探测器的主要目的是探测电离层及与之相关联的物理过程。电离层是地球上空60-1000km范围内的区域，它之所以单独命名是因为它含有丰富的自由电子，这些自由电子是因为中性大气接收到太阳的极紫外和X射线发生电离而形成的，虽然电子密度不到中性成份的1%，但足以影响无线电波的传播。对于现代社会的导航卫星、通信卫星来说，电离层的变化对于卫星信号的质量有非常重要的影响，会引起通信信号质量下降、导航定位精度增加，因此电离层一直是空间环境应用研究的重要区域。从空间上来说，电离层上游与太阳爆发活动、行星际扰动、磁层变化关系密切，是空间天气变化的重要组成部分，同时，电离层的下边界处于空间环境与地球地面环境的交接部分，其变化还会受到下游天气的影响。现在的研究发现，单纯的太阳活动或者空间天气的变化不足以解释电离层的变化行为，电离层与地球大气、甚至是地面的形状、地震、海啸等都有很大的关系。而ICON的目的就是对地球大气与空间环境之间的联系过程进行探测。

ICON探测的区域（来自NASA 网站）

ICON将在地球上空约550km的高度上运行，它第一次将光学遥感探测和等离子体的就位探测结合在一起，能够同时探测电离层中的电动力学过程和化学变化过程。ICON携带有4种不同的仪器。两台用于全球高分辨率热成像的迈克尔逊干涉仪（MIGHTI），用于观察中性大气层的温度和风速；两支离子速度计（IVM）用于测量离子的漂移速度，从而可以得到电场的测量。极紫外线仪器（EUV）和远紫外线仪器（FUV）则可以进行远距离成像观测。EUV通过测量O+的辐射谱线可以得到电离层的密度和高度剖面。FUV通过对O的135.6nm和N2的157nm辐射的观测，可以得到白天大气密度成份的观测以及夜间电子密度的分布。通过ICON的观测，我们能解释能量和物质是怎样从地球的低层大气传入到空间环境中，引起电离层大尺度的逐日变化的。

ICON探测器的配置（来自Space  Sci  Rev，DOI 10.1007/s11214-017-0449-2）

ICON卫星探测任务2011年提出后，其发射过程也是一波三折。原计划2018年11月发射，但由于PegasusXL火箭数据异常，2018年11月7日L-1011 飞船没有进行发射。经过1年多的检验，在2019年10月10日ICON选择再次发射，但由于地面与飞船的通信问题，又错过了第一个发射窗口，后终于在第二个时间窗口（美国东部时间10月10日21:59）成功发射。

ICON将与NASA2018年1月发射升空的“地球及边缘的全球范围观察”（GOLD）协同“作战”。GOLD从位于巴西上空的地球静止轨道的有利位置，可获得ICON将要研究的同一地区的全景视图。随着这两颗卫星数据的获得和分析，空间天气与我们地球的大气之间关联的秘密将会逐渐被揭开。