Sådan fungerer COSMIC

Har du nogensinde spekuleret på, hvorfor din Global Positioning System (GPS) -enhed nogle gange placerer dig midt i en bygning, når du er ret sikker på, at du stadig er på gaden eller fortovet? Frustrerende, Ja, men problemet er ikke med nøjagtigheden af ​​selve GPS -netværket (GPS -satelliternes placeringer kendes ret præcist). Problemet kommer fra forvrængninger i GPS -signalet forårsaget af atmosfæren omkring dig. Temperatur, tryk og fugtighed i luften - og endda elektriske variationer i den øvre atmosfære - har alle en kumulativ effekt på GPS -signalet, når det når din placering.

Gør vice til dyd, KOSMISK er et banebrydende fælles projekt fra USA og Taiwan, der lytter til forvrængning i GPS -signalet og beregner oplysninger, der kan bruges til at forbedre vejrudsigterne, forudsige klimaændringer og overvåge Jordens skiftende magnetisme.

Ved hjælp af et koncept udviklet i 1960'erne til Mariner IV -missionen til Mars, og baseret på succesen med et foreløbigt proof-of-concept-forsøg (Global Positioning System/Meteorology, eller GPS/MET) i slutningen af ​​1990'erne, University Corporation for Atmospheric Research (UCAR) i Boulder, Colo., og Taiwans National Space Organization (NSPO) nåede til enighed i 2001 om at udvikle et mere robust eksperimentelt program. Mens dens officielle titel er Formosa Satellite Mission #3/Constellation Observing System for Meteorology, Ionosfære og klima (FORMOSAT-3/COSMIC), det omtales generelt i USA simpelthen som COSMIC. NSPO yder 80 procent af finansieringen på 100 millioner dollars til projektet, med UCAR og andre amerikanske agenturer, der leverer resten [kilde:Henson].

Måske mere interessant end COSMICs navn er, hvad det foreslår at gøre. Dens femårige mission er at vise, at det ikke kræver mange ressourcer at levere den slags grundvidenskab, der er nødvendig for at omdefinere meteorologi og begynde at bygge arkivet med nøjagtige klimatologiske data, der er nødvendige for at forbedre eksisterende klimamodeller. Dette vil igen lære os meget om klimaændringer.

Ultimativt, observationer foretaget af COSMIC kunne give os mulighed for at forudsige orkaner, tørke, andre større naturkatastrofer og endda tordenvejr meget mere præcist.

Næste, lad os tage et kig på de forskellige komponenter, der udgør COSMIC.

1. KOSMISKE komponenter
2. KOSMISK videnskab
3. KOSMISK værktøj
4. COSMICs fremtid

KOSMISKE komponenter

COSMIC består af et netværk af satellitter, jordstationer og datacentre.

Satellitter

Lanceret den 14. april, 2006 på en enkelt Minotaur -raket, "konstellationen" af seks cylindrisk formede COSMIC mikrosatellitter tog mellem et til to år at nå operationel højde og position [kilder:COSMIC websted, Fong]. Hver satellit vejer omkring 110 pund (70 kg) og måler omkring 46 tommer (116 centimeter) bred og 7 tommer (18 centimeter) høj, og hver bærer det samme sæt af tre instrumenter om bord. Vi vil dække disse instrumenter og hvad de gør lidt senere, men generelt set disse satellitter foretager detaljerede målinger på tværs af atmosfæren hver dag.

COSMIC satellitter befinder sig i en polar bane, hvilket betyder, at de under hver tur rundt om planeten passerer over begge poler. Adskilt af 30 længdegrader og opererer cirka 800 kilometer over planeten, satellitterne sammen er optimeret til at dække hele Jordens overflade så ofte som muligt [kilde:Anthes].

Fordi missionstilgangen er ny og begrænset til seks satellitter, nogle gange opstår tekniske problemer. Til en hver tid, flere af satellitterne oplever lav effekt eller andre tekniske problemer, begrænser deres funktionalitet og antallet af observationer, instrumenterne om bord kan foretage. Satellittenes forventede levetid er fem år [kilde:Fong].

Jordstationer

Data transmitteret fra satellitterne indsamles af jordstationer i Alaska, Virginia, Norge og Antarktis, hvor det meste af downloadet finder sted i Alaska og Norge [kilde:Hunt]. Disse jordstationer videresender derefter oplysningerne til datacentrene. Multi-Mission Center (MMC) placeret i Taiwan styrer selve satelliternes bevægelse [kilde:Schreiner].

Datacentre

Data modtaget af jordstationerne videresendes til datacentre i Taiwan og Boulder. I USA, datacenteret kaldes COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC), hvor et personale på 10 behandler og distribuerer missionsdata til det videnskabelige samfund.

Men hvilke data indsamles egentlig og hvordan gøres dette? Den næste side forklarer, hvad der er om bord på hver COSMIC satellit.

KOSMISK videnskab

Inden vi udforsker møtrikker og bolte i COSMIC, det hjælper at kende et par detaljer om Jordens atmosfære, som de fleste af os lærte i skolen, men måske har glemt. Atmosfæren er ikke alt for forskellig fra en fødselsdagskage i flere lag, med hvert lag oven på det næste, bortset fra at indånding af luft i atmosfæren ikke ofte vil give dig mavepine. Også, skillelinjerne mellem atmosfæriske lag er ikke nær så veldefinerede som lag med cremet chokoladefrosting. Atmosfærens laveste niveau kaldes troposfæren . Den består af den luft, som vi indånder hver dag, og det er her, de fleste begivenheder, vi forbinder med vejret, finder sted. Dette lag går fra jorden op til omkring 10 kilometer over jordens overflade.

Over det sidder stratosfæren , som strækker sig fra cirka 6,2 til 20 miles (10 til 30 kilometer) over Jorden. Oprindeligt menes at være meget stabil, luftopvarmning eller afkøling i stratosfæren vides nu at forårsage betydelige ændringer i vejrmønstre i troposfæren, hvilket gør dette område til et yderst værdigt genstand for undersøgelse [kilde:Yalda].

Det sidste vi skal vide om er ionosfæren , som består af de ioniserede, eller opkrævet, partikler i den øvre atmosfære, der starter omkring 80 miles over Jorden. Intens solstråling i denne højde fjerner elektroner fra molekyler i luften, elektrificering af atmosfæren [kilde:UCAR]. Hvis du har set aurora borealis, du har set ionosfæren i aktion.

Nu hvor vi har en bedre forståelse af, hvad COSMIC ser på, lad os undersøge de instrumenter, den bruger til at få den bedste udsigt.

COSMIC's TIP- og TBB -instrumenter, der studerer ionosfæren, giver den slags information, der er kritisk for en bedre forståelse og viden om "rumvejr." Rumvejr er det, der sker, når solblusser rammer Jordens magnetfelt og oplader ionosfæren. Dette forårsager et fredeligt fænomen, såsom den ærefrygtindgydende aurora borealis, som ofte kan ses fra Jordens langt nordlige breddegrader. Imidlertid, det kan også forårsage voldsomme solblusser, der har været kendt for at ødelægge satellitter, deaktivere elektriske instrumenter på jorden, og potentielt skade astronauter i rummet. At vide så meget som muligt om ionosfæren kan hjælpe os med at forudse disse storme og forhindre eller minimere den skade, de forårsager.

KOSMISK værktøj

Et af de mere interessante aspekter ved COSMIC er den måde, det bruger traditionelle GPS -signaler, der allerede findes til at indsamle oplysninger om atmosfæriske forhold fra omkring 1 km over jorden og højere [kilde:Schreiner]. Brug af dens Radio Occultation (RO) modtager , satellitten registrerer et GPS -signal, da det begynder at passere gennem Jordens atmosfære. Fordi COSMIC -satellitten ved præcis, hvor GPS -satellitten egentlig er, det kan tage forvrængning, eller brydning, forårsaget af atmosfæren til at beregne temperaturen, lufttryk, fugtighed og endda elektrontæthed over et bestemt sted på jorden.

Hver observation ved hjælp af disse data resulterer i en "lodret profil" over et bestemt sted på jorden. Disse observationer består af op til 2, 500 gange om dagen, som med tiden producerer et detaljeret tredimensionelt billede af atmosfæren.

COSMIC er ombord Lille ionosfærisk fotometer (TIP) kortlægger Jordens ionosfære med mere præcision end tidligere var tilgængelig. Det kan være lille, men det tillader også kontinuerlig observation af ionosfæren ved den yderste ultraviolette 135,6-nanometer bølgelængde.

Der henviser til, at RO-modtageren leverer data af lodret karakter (måler atmosfæren fra jorden tredimensionelt), TIP -instrumentet kortlægger ionosfæren vandret, eller todimensionalt [kilde:Dymond]. TIP fungerer kun om natten på grund af interferens forårsaget af solens ultraviolette stråling [kilde:Anthes].

Kortlægger også ionosfæren, men leverer både vandrette og lodrette data, er Tri-Band Beacon (TBB) . TBB virker ved at udsende et signal direkte ned fra satellitten mod modtagestationer, derved bestemme ionosfærens elektrontæthed. Der er oprettet et begrænset antal modtagelsesstationer langs polar-kredsløbets nord-syd-akse i Østasien og Nord- og Sydamerika [kilde:Anthes].

Arbejder i forbindelse med de modtagende stationer, den passerer over, og ved hjælp af elektrontæthedsdata fra de to andre instrumenter om bord, TBB giver en detaljeret 3D-model af ionosfæren [kilder:Dymond, Bernhardt].

De seks RO -modtagere samler op til 2, 500 observationer om dagen, når alle satellitter er operationelle [kilde:COSMIC -websted]. TIP og TBB scanner konstant og giver kontinuerlig dækning.

På den næste side, vi vil se på nogle af de måder, hvorpå de data, der er indsamlet af COSMIC, bruges i dag, og hvad fremtiden for dette program kan være.

COSMICs fremtid

COSMICs primære mission er at bevise, at brug af radio okkultation og konstellationer af satellitter giver nyttige data om vores atmosfære [kilde:Anthes]. Allerede, data fra missionen er blevet brugt til at forudsige tropiske storme mere præcist. I 2006, Tropestormen Ernesto dannet i Atlanterhavet. Traditionelle vejrforudsigelsesmodeller formåede ikke at forudsige stormens dannelse, men ved at tilføje COSMIC -data til modellen, forudsigelser om stormens dannelse lignede meget det, der faktisk blev observeret [kilde:Anthes].

Måske er det endnu vigtigere, hvordan det kan hjælpe os med at forstå klimaændringer. Som vi beskrev tidligere, radio okkultationsmålinger skaber lodrette profiler af atmosfæren. Fordi disse målinger ikke er afhængige af nogen specifik teknologi, der skal fortolkes, de er ideelle til langsigtet sammenligning. På den nedre side, vanskeligheder med at adskille de forskellige virkninger af temperatur, tryk og fugtighed begrænser anvendeligheden af ​​nogle af dataene under 8 kilometer og over 25 kilometer til klimaforskning [kilde:Anthes].

I bund og grund, COSMIC tager et koncept ud over idéfasen og viser, at denne teknologi kan give nyttige resultater. UCAR arrangerer en årlig workshop, hvor forskere kan dele oplysninger og lære mere om, hvad dataene kan bruges til. Teknologien og metoden er ikke ny, men faktisk har denne form for data til rådighed i stor skala.

COSMICs to datacentre er ansvarlige for at levere oplysningerne (gratis) til det internationale videnskabelige samfund. Fra april 2010, der var over 1, 100 brugere fra 54 lande [kilde:Schreiner]. Forskere bruger disse data til at forbedre deres forskning og lære at integrere denne type information mere præcist i deres arbejde.

Har du noget atmosfærisk forskning, du gerne vil bruge dataene til? Registrering er gratis på CDAAC's websted, selvom du bliver nødt til at fortælle dem, hvordan du vil bruge oplysningerne.

COSMIC er finansieret gennem 2011, med mulighed for fortsat finansiering derefter [kilde:Schreiner]. Når missionen er afsluttet, det er ikke helt sikkert hvad, hvis noget, vil erstatte det. UCAR og NSPO håber begge på at få støtte til et vedvarende program med to til fire gange så mange satellitter, der gør det samme, men giver meget mere fuldstændig dækning, end det er muligt med kun seks satellitter. Hvis disse håb realiseres, vejrudsigten kan blive så præcis, at folk måske bare skal finde noget ud over den lokale vejrudsigt at spøge med.

For mere information om satellitter, vejrudsigter og mere, besøg linkene på den næste side.

1965 - Radio Occultation (RO) bruges først til at studere Mars

1988 - Første forslag om at bruge denne metode til at studere Jordens atmosfære

1995-1997-MicroLab-1 leverer første RO-mission til Jorden

2001-FORMOSAT-3/COSMIC-programmet starter

2006 - COSMIC -satellitter opsendes

2011 - COSMIC -programmet afsluttes

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer satellitter
• Sådan fungerer GPS -modtagere
• Sådan fungerer vejret
• Prognosen:Bedre vejrudsigt forude
• Sådan fungerer satellitradio

Flere store links

• KOSMISK:Hjemmeside
• University Corporation for Atmospheric Research (UCAR)
• National Space Organization (NSPO)

Kilder

• Anthes, R.A. (et al.). "COSMIC/FORMOSAT-3-missionen:Tidlige resultater." Bulletin fra American Meteorological Society. Vol. 89, ingen. 3. Side 313-333. Marts 2008.
• Anthes, Richard A; Rocken, Kristen; Kuo, Ying-Hwa. "Anvendelser af COSMIC til meteorologi og klima." Terr., Atmosfære. Ocean. Sci. Vol. 11, ingen. 1. Side 157-186. Marts 2000.
• Bernhardt, Paul (et al.). "Atmosfæriske undersøgelser med Tri-Band Beacon-instrumentet i den KOSMISKE konstellation." Terr., Atmosfære. Ocean. Sci. Vol. 11, ingen. 1. Side 291-312. Marts 2000.
• Chen-Joe Fong (et al.). "FORMOSAT-3/COSMIC Space craft Constellation System, Missionsresultater, og Prospect for Follow-On Mission. "Terr., Atmosfære. Ocean. Sci. Vol. 20, ingen. 1. Side 1-19. Februar 2009.
• Constellation Observing System for Meteorology, Ionosfæren, og klima:Et fælles Taiwan-U.S. Rummission for atmosfæriske og geodetiske videnskaber (2002).
• Cucurull, Linda (Joint Center for Satellite Data Assimilation-NOAA). "Operationel brug af COSMIC -observationer ved NOAA." 2007 FORMOSAT-3/COSMIC Data Users Workshop. 23. oktober kl. 2007. (Adgang til 18. marts, 2010.) http://www.cosmic.ucar.edu/oct2007workshop/pdf/cucurull_23.pdf
• Dymond, Kenneth F. (et al.). "Ionosfæriske elektrondensitetsmålinger ved hjælp af COSMIC" (PowerPoint -præsentation). Session 4, Nye datakilder og produkter (møde i American Meteorological Society). 21. januar kl. 2008. Adgang 18. marts, 2010.
• Henson, Bob. "Signaludførelser." UCAR kvartalsvis. Efterår 2007.
• Jage, Doug. Softwareingeniør (UCAR-COSMIC). Personlig korrespondance. 16. marts 2010.
• Rocken, Christian (et al.). "KOSMISK systembeskrivelse." Terr., Atmosfære. Ocean. Sci. Vol. 11, ingen. 1. Side 21-52. Marts 2000.
• Schreiner, Bill (et al.). "COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC):Aktiviteter, Ionosfærisk forskning. "18. januar, 2010. (Adgang 14. marts, 2010.) http://www.cosmic.ucar.edu/groupAct/references/IWG-Schreiner.pdf
• Schreiner, Bill (et al.). "COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC):Nuværende status og fremtidige planer." Fjerde Workshop for FORMOSAT-3/COSMIC databrugere. 27.-29. Oktober, 2009.
• Schreiner, Bill (CDAAC). Personlig korrespondance. 17. marts 2010.
• University Corporation for Atmospheric Research. "COSMIC (hovedprojektwebsted)." November, 2009. (Adgang til 14. marts, 2010.) http://www.cosmic.ucar.edu
• Yalda, Sepideh. Professor i meteorologi, Millersville University. Personligt interview. 25. marts 2010.