Hold skarpt øje med miljøet fra rummet

Den 19. nov. 2016, Amerikas mest avancerede vejrsatellit raket i kredsløb med seks nye, state-of-the-art instrumenter, dramatisk forbedrede observationsevner, og nogle afgørende NIST-kalibreringer.

GOES-R (Geostationary Operational Environmental Satellite-R Series) er den første i den seneste generation af GOES miljøsatellitter, drives af NOAA i samarbejde med NASA. Når den afslutter sin shakedown-periode, GOES-R vil være i stand til at scanne planeten fem gange hurtigere og med fire gange højere opløsning end nogen af ​​NOAAs andre satellitter, spor regionale vejrbegivenheder med billeder, der opdateres så ofte som hvert 30. sekund, og registrerer løbende hyppigheden og placeringen af ​​lynnedslag. Det vil også overvåge rumvejr, der kan forstyrre ydeevnen af ​​navigations- og kommunikationssatellitter, samt kommercielle flyruter og landets elnet.

Men før de kunne blive godkendt til lancering, GOES-Rs meget følsomme sensorer og billedapparater skulle kalibreres og testes for at bevise, at de kunne udføre de krævende missionsspecifikationer. NIST-forskere spillede en nøglerolle i den proces, som de har gjort for andre satellitter gennem de sidste tre årtier.

Advanced Baseline Imager (ABI) er hovedinstrumentet på GOES-R (omdøbt til GOES-16, da den nåede geostationær bane i slutningen af ​​november) til at observere vejret, oceaner, og miljøet. Radiometeret – som måler bølgelængder og intensiteter af lys, der kommer fra jordens overflade og atmosfære – optager i 16 forskellige bølgelængdebånd fra infrarød stråling til synligt lys. (Den nuværende GOES-imager sporer fem bånd.) Fordi hver slags vejr eller miljøforhold har sine egne karakteristiske bølgelængdesignaturer, evnen til at skelne tre gange så mange bånd vil give et hidtil uset niveau af data til billeddannelse af storme såvel som brand, røg, aerosoler, luftkvalitet, oversvømmelser, vegetationens sundhed, og meget mere.

NIST-forskere har været involveret i NASA, NOAA, og entreprenører i ABI-projektet i mere end 10 år, fra indledende udvikling af specifikationer til kalibreringer før lancering. Til de sidste faser af processen, personale fra forskellige dele af NIST's Sensor Science Division rejste til faciliteterne hos instrumententreprenøren Harris i Fort Wayne, I, og Rochester, NY, ofte i uger ad gangen.

Test og kalibrering af ABI krævede flere procedurer for at sikre, at bølgelængderne og intensiteterne registreret på satellitsensorerne er nøjagtige og sporbare til NIST og dermed til International System of Units (SI). Dette indebærer at sammenligne ABI-aflæsningerne med præcist kendte lyskildeinstrumenter og standarder.

Noget af dette blev gjort med bærbare NIST-kalibrerede radiometre; nogle blev lavet på NIST, inklusive test af filtertransmittans. Meget blev leveret af en omrejsende version af NIST's tunable, kildefacilitet med smal bølgelængde kaldet Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources (SIRCUS). SIRCUS anvender kontinuerligt indstillelige lasere koblet ind i hule indkapslinger kaldet integrerende sfærer som kilder for at teste sensorernes respons på usikkerheder så lave som 0,1 %.

NIST var også involveret i kalibrering af ABI infrarøde bånd, ved hjælp af et bærbart kryogenisk radiometer (NIST Thermal-infrared Transfer Radiometer, TXR) til en 3-ugers test i et vakuumkammer i Rochester. NIST-personale målte den infrarøde standard (IR) kilde (en sortlegeme infrarød kilde) for at sikre, at den stemte overens med NIST-skalaen.

Mange af GOES-båndene er forholdsvis smalle. Band 1, det blå synlige bånd, vigtigt for at detektere røg og aerosoler, dækker kun bølgelængder fra 450 nm til 490 nm. Band 3, "veggie"-bandet, som registrerer tilstanden af ​​vegetation såvel som skyer i dagtimerne, tåge, aerosoler, og brand- og oversvømmelsespotentiale, strækker sig over et tilsvarende snævert område fra 846 nm til 885 nm. Band 4, "cirrus" bandet, dækker nær-IR ved 1360 nm til 1380 nm, er særligt følsom over for høje, tynde cirrusskyer. Den nødvendige grad af nøjagtighed i sensorrespons afhænger af målet med observationen.

"SIRCUS-målingerne løste en uoverensstemmelse mellem modellerede og målte båndcenterbølgelængder og båndpas til fordel for de modellerede resultater, " siger NIST-forsker Steve Brown, som udførte mange af målingerne.

Et andet nøgleinstrument ombord på GOES-R er Extreme Ultraviolet/X-ray Irradiance Sensors (EXIS), som sporer variationer i Solens højenergistråling, der direkte påvirker forholdene i Jordens øvre atmosfære, påvirker radiotransmission og ændrer luftens temperatur og elektriske egenskaber i højder over 85 km. Den overvåger også stråling forårsaget af begivenheder som f.eks. soludbrud. Disse målinger hjælper med at give advarsler om periodiske storme af ladede partikler, der blæser af Solen og kan true kvaliteten af ​​global kommunikation, GPS-systemet, og andre væsentlige kredsløbsressourcer.

EXIS blev kalibreret ved hjælp af NISTs Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF III) i Gaithersburg, MD, som en absolut beregnelig kilde til ekstrem ultraviolet (UV) og "blød" røntgenstråler. Designet og bygget på University of Colorado's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), EXIS-instrumenterne blev kalibreret over en række bølgelængder og intensiteter i et vakuumindkapsling for enden af ​​en SURF III-strålelinje. Arbejder med NIST-personale, det tog EXIS' ledende videnskabsmand Frank Eparvier og hans team fra LASP omkring seks uger at fuldføre arbejdet.

SURF III bruges ofte til at teste og kalibrere sensorer til rummissioner, fordi det er en absolut nøjagtig kilde til stråling ved specifikke bølgelængder (med usikkerheder på mindre end 1 % i området fra 4 nm røntgenstråler til 400 nm UV), og har et lineært output, der kan varieres over 11 størrelsesordener i intensitet. Det er vigtigt at kontrollere lineariteten af ​​EXIS over et stort område. "For eksempel, i løbet af den 11-årige solcyklus, UV-stråling kan ændre sig med en faktor 100, " siger Thomas Lucatorto, leder af Ultraviolet Radiation Group i NIST's Physical Measurement Laboratory.