Lille NASA-satellit vil snart se regnbuer i skyer

NASAs næste forsøg på at kortlægge usynlige pletter i atmosfæren, der påvirker klimaændringer og luftkvalitet, startede fra et vinduessæde over Stillehavet.

Vanderlei Martins, en professor ved University of Maryland Baltimore County, fløj over Stillehavet for nogle år siden, da han kiggede ud af vinduet og besluttede sig for at fotografere de knaldhvide skyer, der flød forbi. På et indfald, han tog en polarisator frem, ligner et solbrilleglas, og roterede foran sit kamera, mens han tog billeder. Resultatet? "Jeg så regnbuer i skyerne, " sagde Martins.

Denne dynamiske visning af skyer udløste en idé til en lille satellit, der vil blive opsendt den 2. november fra NASA's Wallops Flight Facility på Wallops Island, Virginia, til den internationale rumstation. Derfra vil den blive frigivet i kredsløb om Jorden.

Denne NASA-finansierede CubeSat vil indsamle vital information om skyer og aerosoler, bittesmå partikler i atmosfæren, der kan fungere som kerner, hvorpå der dannes skydråber og ispartikler. Disse målinger vil hjælpe os med bedre at forstå, hvordan aerosolpartikler påvirker vejret, klima og luftkvalitet.

Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat er omtrent på størrelse med et solidt brød. Det vil være det første forsøg på at sætte et polarimeter, som måler lysets polarisering, ombord på en CubeSat. HARP kunne bane vejen for fremtidige NASA-missioner, der involverer en konstellation af små satellitter, der kigger ned på skyer og aerosoler, sagde Martins. NASA's Earth Science Technology Office finansierer HARP under programmet In-Space Validation of Earth Science Technologies. Martin i missionens hovedefterforsker.

"HARPE, som den første flervinklede brede synsfelt cloud-aerosol CubeSat-mission, er et godt eksempel på, hvordan et kreativt og innovativt team kan fremme nye teknologier til atmosfæriske videnskabelige observationer, " sagde Charles Norton, særlig rådgiver for små rumfartøjsmissioner ved NASAs hovedkvarter i Washington.

Overskyet med mulighed for regnbuer

Naturligt fremstillede aerosoler, som vulkansk røg, ørkenstøv og havsprøjt, og menneskeskabte aerosoler, som røg fra jordrydningsbrande og sulfat fra afbrænding af kul og olie, kan være usynlig for det menneskelige øje, men deres tilstedeværelse kan kaste en dis og skabe lyse røde solnedgange. Aerosoler kan bidrage til dårlig luftkvalitet og påvirke menneskers sundhed ved at forårsage astma og bronkitis samt mere alvorlige luftvejssygdomme.

Aerosoler kan også ændre Jordens energibalance ved at reflektere sollys tilbage i rummet og ændre skypartikler, som også reflekterer og absorberer sollys. Jo mere lys en aerosol reflekterer, jo mere køler det atmosfæren; jo mere lys absorberer den, jo mere varmer det atmosfæren. Generelt, højere koncentrationer af aerosolpartikler fører til mere, men mindre, skydråber, der får en sky til at lysne og forhindrer den i at producere regn. Disse lyse, langvarige skyer er i stand til at reflektere mere sollys og afkøle jordens system.

En gang i kredsløb, HARP vil filtrere lys i fire bølgelængder og rotere dette lys til tre polarisationsvinkler, ved at bruge sit prisme. Ligesom polariserede solbriller hjælper med at blokere stærkt lys for at hjælpe dig med at se, hvornår det er solskin, HARP kan blokere bestemte bølgelængder og foretage observationer fra mange vinkler. Dette afslører ellers skjulte egenskaber ved skyer og aerosoler, som mængden og typen af ​​aerosoler i atmosfæren samt størrelsen af ​​vanddråber eller ispartikler inde i skyer. "Hver gang HARP flyver over en region, vi ser den region fra flere perspektiver, " sagde Martins.

Det vil også være i stand til at bestemme, hvor meget lys der spredes af aerosolpartikler, sagde Henrique Barbosa, en professor og videnskabsmand ved University of São Paulo i São Paulo, Brasilien. "HARP vil være i stand til at give meget mere information om aerosolers mikrofysiske egenskaber, end der tidligere var tilgængelig, " sagde Barbosa, som samarbejder med Martins om HARP og andre projekter.

Imidlertid, teamet bliver nødt til strategisk at bestemme, hvornår HARP vil indsamle data, fordi det er en CubeSat med begrænset kraft og datakapacitet, sagde Barbosa. For eksempel, når HARP er i kredsløb, han vil gerne have det til at indsamle data over Amazonas for at lære mere om virkningen af ​​de igangværende brasilianske Amazonas regnskovsbrande, som har været meget større og mere intense end de foregående år.

Røg fra Amazonas brande inkluderer sod og aerosoler, som alle kan påvirke vejr og klima. Aerosoler fra afbrænding af biomasse til rydning af land er mindre end naturlige aerosoler. med HARP, forskere kunne afgøre, om skyer har mindre, forureningsdrevne dråber, eller større, naturligt afledte dråber. HARPs data kan også kombineres med jordbaserede observationer og eksperimenter for bedre at ekstrapolere disse resultater og afsløre aerosolprocesser på tværs af en bredere region, sagde Barbosa.

De tre HARP'er

Martins er muligvis startet med ideen til HARP som CubeSat, men før den lille satellit kunne starte, det havde to søskende:AirHARP og HARP2.

AirHARP brugte den samme polarimeterteknologi som HARP, men fløj ombord på to fly i stedet for en satellit i 2017. AirHARP var en del af Lake Michigan Ozone Measurements-kampagnen, som involverede et NASA UC12-fly, og NASA Aerosol Karakterisering fra Polarimeter og Lidar kampagne, som opnåede aerosol- og skymålinger over USA fra NASAs højhøjde ER-2-fly.

"Vi var i stand til at simulere, hvad HARP ville gøre fra rummet, " sagde Barbosa om AirHARPs flyvninger. Den luftbårne version hjalp Barbosa og Martins med at udvikle procedurer og algoritmer, der i sidste ende vil hjælpe med at downloade og fordøje HARPs data.

Imidlertid, i modsætning til AirHARP, som var på en fastlagt flyvevej, HARP kan ikke kontrolleres én gang i rummet. "Når CubeSat forlader rumstationen, dens kurs er, hvad den end vil være, og det er det, " sagde Barbosa. Når videnskabsmænd på jorden kommer i kontakt med den kredsende HARP, de kan forudsige dens kredsløb og tænde og slukke for den, når de vil tage en måling over et bestemt område, men de kan ikke ændre dens kurs.

HARP2, på den anden side, vil være en meget mere kraftfuld version af HARP. HARP2 vil flyve med NASAs Plankton, Aerosol, Sky, ocean Ecosystem (PACE) mission, som i øjeblikket er under udvikling og planlægger at forbedre NASA's over 20-årige rekord af satellitobservationer af global havbiologi, aerosoler og skyer. Da PACE er et meget større rumfartøj med flere kraftmuligheder og et meget større hold bag sig, HARP2 vil være i stand til at fungere hele tiden og indsamle væsentligt flere videnskabelige data end HARP.

"HARP CubeSat har perfekt timing, " sagde Martins. "Når vi har lanceret det, og vi får data fra det, vi vil bruge disse data til at forberede os til HARP2, " fortsatte han.

Den lille CubeSat, der endelig kunne

Selvom Martins allerede planlægger den næste iteration af HARP, det første skete næsten ikke.

"Jeg vil have så meget videnskab som muligt, Martins sagde, men at indsamle så meget data med en CubeSat er udfordrende. "HARP er den mest teknologitætte CubeSat med tre enheder, vi nogensinde har prøvet, sagde Tim Neilsen, HARP-programlederen ved Space Dynamics Laboratory (SDL) i Logan, Utah. Martins byggede instrumenterne og SDL byggede CubeSat.

Efterhånden som HARPs lancering nærmer sig, og nye muligheder for at se og studere aerosoler nærme sig, Martins er spændt, men lidt nervøs. "Når den starter, du kan ikke røre den mere, " sagde Martins.