背景：地球大气层最下面的一层是对流层，它从地面延伸到约10公里的高处。10公里以上为平流层，再向上为中间层。在约80公里以上的热层大气已经非常稀薄，在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离，自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动，这样在这个高度造成一个等离子体。在这里自由电子的数量足以影响电波的传播。

电离层不是由规则的、平滑的层组成的，而是由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。

近期NASA选定的立方体卫星（CubeSat）的任务是去了解地球电离层中的等离子体气泡和斑块如何相互作用，并最终影响电离层中通讯，GPS和雷达信号的传输。

由在NASA马里兰州格林贝尔（Greenbelt）的戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center，以下简称Goddard）工作的科学家Jeffrey Klenzing和Sarah Jones领导的科学家和工程师团队最近赢得了NASA项目资金，用来建立电离层–热层等离子体增强卫星（the Plasma Enhancements in The Ionosphere-Thermosphere Satellite，以下简称petitSat）。 PetitSat利用几项受研发支持的技术，卫星平台本身也是这些技术之一，一项探索者（Explorer-class）任务也可能在其引领下开展。

*注释：探索者计划的系列任务预算不超过2千万美元，比发现计划的系列任务（Discovery，预算6千万美元，详见2017-05-09的推送）还要低一等级。

Goddard中心领导的petitSat团队将通过这个6U立方体卫星-Dellingr完成其使命。 Goddard的工程师开发了这款小型卫星，以表明立方体卫星在可靠又经济的同时， 还可以收集令人信服的科学数据。这款Dellingr 3D模型顶部的黑色设备是即将装配在petitSat上发射升空的离子中性质谱仪。

Credits: NASA/W. Hrybyk

PetitSat卫星将于2021年从国际空间站发射，计划研究中低纬度电离层密度的不规则性。这些电离层占据了大气层的一小部分，与热层共存，距地球表面大约80至400千米。

电离层整体是等离子体，是由正离子和自由电子组成的电离气体。电离层可以将无线电波反射回地球，对于远程无线电通信来说非常重要，因而任何等离子体密度的扰动会对GPS和雷达信号造成干扰。

这些扰动或不规则特性表现为电离层的局部缺失，又称气泡，即电子数量减少的结构；或电离层的局部增强，又称斑块，即电子数量增多的结构。此次任务的首席调查员Klenzing表示：“所有这些不规则性都会扰乱无线电波的传递。

斑块与气泡：一个不同的故事

在Klenzing看来先前的研究表明，斑块是地磁赤道附近形成的气泡的直接产物。然而，其他的观察结果却有不同观点：在未涉及气泡的区域也可观察到斑块，斑块也可以在无气泡的条件下形成。

这些观察结果显示有多种机制在其中起到作用，包括来自热层的快速行进的声重波 。热层是大部分电离层所在的温和的中性大气层。事实上，包括来自热层的快速行进的声重波 。热层是大部分电离层所在的温和的中性大气层。事实上，这些波状的热层结构通过大气中离子部分和中性部分之间的阻力在电离层中产生波，一种称为中尺度电离层行进式扰动 （Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances，简称MSTID）的现象。 由此产生的MSTID可进一步产生电场，电场可以将能量从夏半球运输到冬半球。 科学家们认为那些观察到的等离子体斑点是由这些电场产生的。

*注释：在高层大气中，中性部分和电离部分因受力不同，运动状态也不同。但由于两部分粒子间的碰撞频繁，所以两部分的运动有很强的相互影响。

“我们的任务是调查这两种现象，即等离子体密度的增减测量（气泡或斑块），以及热层中声重波的运动之间的关系，”Klenzing说。

为了找到这两者的联系，petitSat团队将输送两个仪器进入太空：由Goddard中心开发的离子中性质谱仪（Ion-Neutral Mass Spectrometer，以下简称INMS）和由犹他州立大学和弗吉尼亚理工学院提供的网格延迟离子漂移传感器（Gridded Retarding Ion Drift Sensor，以下简称GRIDS）。INMS是世界上最小的质谱仪，它曾经服役于一个由美国国家科学基金会赞助的、名叫ExoCube的立方体卫星任务。

INMS质谱仪将测量地球大气上游各种颗粒的密度，观察这些密度如何随着日常和季节周期的变化而变化。同时，由大学提供的GRIDS仪器将测量离子的分布、运动和速度。

PetitSat即将搭载Goddard开发的离子中性质谱仪（左）和大学提供的网格延迟离子漂移传感器进入太空。

Credits: NASA

基于Dellingr立方体卫星的petitSat任务