Вісім супутників розміром з портфель, що летять поспіль, можуть бути ключем до поліпшення прогнозів швидкості вітру урагану - визначення того, чи буде він підходити до берега з силою категорії 1 або категорії 5. CYGNSS NASA - циклонная глобальна навігаційна супутникова система (Cyclone Global Navigation Satellite System ), запущена в 2016 році, була розроблена, щоб показати, чи можуть ті ж сигнали GPS, які використовуються для моніторингу транспорту і людей, використовуватися для вимірювання вітру в глибині урагану або тайфуну.
Моделі прогнозування погоди стали набагато краще у визначенні майбутньої траєкторії урагану або тайфуну, але вони не покращилися в прогнозуванні максимальної швидкості вітру і інтенсивності.
Шляхи руху тропічних гігантів управляються зовнішніми силами, такими як регіональні вітри, але їх інтенсивність залежить від сил всередині самого шторму. І хоча багато супутників можуть бачити зовнішні вітри, вони не можуть розглянути що відбувається всередині крізь густі хмари і дощ урагану.
Головний дослідник CYGNSS Крістофер Руф з Мічиганського університету в Анн-Арбор пояснив: «Щоб передбачити інтенсивність, ви повинні вимірювати швидкість вітру прямо в середині шторму, і до CYGNSS не було ніякого способу зробити це, крім як літаками Hurricane Hunter, здатними літати всередині урагану».
Дані отримані від супутників CYGNSS ідеально збіглися з даними про ураган, зібраними одночасно Hurricane Hunter під час ураганів 2017 року, Марії, Ірми і Хосе. Вісім малих супутників, що обертаються по орбіті з проміжком в 12 хвилин між кожним, зібрали більше даних про кожний шторм, ніж можна було зібрати під час польоту "ураганного мисливця".
Як бачити крізь дощ і хмари?
Щоб побачити, що знаходиться в атмосфері, багато супутників, що спостерігають за Землею, посилають електромагнітні сигнали з довжинами хвиль, які складають всього лише частки дюйма в довжину. Для цих короткохвильових сигналів крапля дощу, порошинка або будь-яка інша частинка, що перебуває в повітрі, є непроникною перешкодою.
Хоча довжина хвилі більше, ніж ці крихітні частинки, вони досить близькі за розміром, щоб сигнали відскакували від таких частинок, як більярдна куля, що стикається з іншою кулею. «Читаючи» ці розсіяні сигнали, дослідники можуть визначити форму і місце розташування хмар і інших перешкод, з якими стикалися сигнали.
Іншими словами, короткі хвилі дозволяють дослідникам бачити шторм, але не бачити крізь нього.
CYGNSS, з іншого боку, використовує сигнали GPS. Довжина їх хвилі становить 19 сантиметрів, що набагато більше, ніж короткі хвилі, які використовуються більшістю супутникових приладів, або будь-які краплі дощу, коли-небудь виміряні. На цій довжині хвилі як сказав Руф: «Ви взагалі не бачите дощову краплю. Ви просто проходите крізь неї ». Це дозволяє CYGNSS бачити крізь ураган і вимірювати вітри на поверхні океану.
Крістофер Руф, директор Дослідницької лабораторії космічної фізики і професор атмосферних, океанічних і космічних наук у Мічиганському університеті, оглядає CYGNSS. CYGNSS використовує сигнали GPS, відбиті від поверхні океану, для вимірювання висоти хвиль і вітру швидкість. Ці дані поліпшать прогнози ураганів.
Супутники GPS, експлуатовані ВВС США, знаходяться на набагато вищій орбіті, ніж флот CYGNSS. Коли супутник GPS пролітає над тропічним циклоном, його сигнали безперешкодно проходять крізь шторм і відбиваються від поверхні океану. На нижній орбіті приймачі CYGNSS, орієнтовані вниз, здатні перехоплювати сигнали, що повертаються вгору. Спотворення в цих відбитих сигналах показують, наскільки бурхливим є море, що дозволяє дослідникам розрахувати швидкість вітру, що викликала нерівності.
Перетворення сигналів в вимірювання
Вісім малих супутників CYGNSS добре працювали з моменту запуску, але вчені місії зіткнулися з серйозною перешкодою на шляху обробки сигналів GPS в дані про швидкість вітру. При розробці місії вчені припускали, що сигнали GPS передаються з постійною силою.
Але коли вчені почали збирати дані, вони виявили, що потужність сигналу від більшості супутників GPS змінюється на кожній орбіті і що ступінь зміни відрізняється від супутника до супутника. Ці зміни спотворили дані про швидкість сильних вітрів супутниками CYGNSS на 11 и 18 км / г.
Ми витратили рік або більше, працюючи над проблемою, і, нарешті, ми її вирішили,
- сказав Руф.
В основному, ВВС збільшують потужність, коли проходять через певні частини світу, де погані хлопці намагаються придушити сигнали. Сильніші сигнали важче заглушити
Як тільки команда CYGNSS зрозуміла проблему, вони знайшли обхідний шлях. Кожен супутник CYGNSS має не тільки основний приймач GPS для збору сигналів, що відбиваються від поверхні Землі, але також і додатковий, менший приймач для визначення місця розташування та стеження. Команда перепрограмувала менші приймачі, щоб виміряти силу широкомовного сигналу, що дало їм інформацію, необхідну для правильної обробки сигналів, які повертаються знизу.
Вирішивши цю проблему дослідники можуть приступити до оцінки того, як дані CYGNSS вплинуть на прогнози ураганів.
Джонатан Ван Ноорд, дослідник Мічиганського університету в області атмосферних, океанічних і космічних наук, калібрує CYGNSS в лабораторії. CYGNSS використовує сигнали GPS, відбиті від поверхні океану, для вимірювання висоти хвиль і швидкостей вітру. Ці дані поліпшать прогнози ураганів
Експериментуючи з дослідницької версією тієї ж моделі ураганів, яку Національна адміністрація з океану та атмосфери (NOAA) використовує для прогнозів, вчені додали дані CYGNSS для реконструкції двох з відомих штормів 2017 року, ураганів Харві і Ірма. Додавання даних CYGNSS дозволило отримати більш реалістичні прогнози не тільки інтенсивності штормів, але і їх слідів і структури. Інші дослідження показали аналогічні поліпшення в прогнозах різних штормів.
Несподіваний додатковий бонус
На подив Руфа, CYGNSS проявив ще одну сферу застосування. Команда CYGNSS планувала регулярно відключати свої приймачі, коли супутники літають над сушею, але для того щоб спростити свої операції вирішила змушувати супутники постійно збирати дані.
Інженери і технічні фахівці Південно-Західного науково-дослідного інституту збирають і інтегрують інженерну модель мікросупутника CYGNSS. Місія CYGNSS складається з восьми мікросупутників, які обертаються навколо планети і за допомогою сигналів GPS визначають швидкість вітру в тропічних штормах
Два аспіранта з Лабораторії реактивного руху NASA в Пасадені, штат Каліфорнія, вирішили поглянути на дані, отримані з суші.
«Це була дійсно удача, виявилося, що дані отримані з суші можна використовувати для вимірювання вологості грунту і затоплень», - сказав Руф.
Оскільки колишні студенти, Клара Чу (Університетська корпорація атмосферних досліджень в Боулдері, штат Колорадо) і Уго Каррено-Луенго (Барселона, Іспанія), задокументували цінність цих даних, NASA офіційно розширило сферу діяльності місії і запросило наукову команду перевизначити мету місії, оскільки можуть бути і інші способи застосування даних із супутників CYGNSS, які очікують виявлення.