Farvel til en banebrydende forureningssensor

Den 31. januar, NASA afsluttede Tropospheric Emission Spectrometers (TES) næsten 14-årige opdagelseskarriere. Lanceret i 2004 på NASAs Aura-rumfartøj, TES var det første instrument designet til at overvåge ozon i de laveste lag af atmosfæren direkte fra rummet. Dens højopløselige observationer førte til nye målinger af atmosfæriske gasser, der har ændret vores forståelse af Jordsystemet.

TES var planlagt til en femårig mission, men varede langt længere end den periode. En mekanisk arm på instrumentet begyndte at gå i stå med mellemrum i 2010, påvirker TES's evne til at indsamle data løbende. TES-driftsteamet tilpassede sig ved at betjene instrumentet for at maksimere videnskabelige operationer over tid, forsøger at udvide datasættet så længe som muligt. Imidlertid, standset steg til det punkt, at TES mistede driften omkring halvdelen af ​​sidste år. Datahullerne hæmmede brugen af ​​TES-data til forskning, førte til NASA's beslutning om at nedlægge instrumentet. Det vil forblive på Aura-satellitten, modtager nok strøm til at forhindre det i at blive så koldt, at det kan gå i stykker og påvirke de to resterende fungerende instrumenter.

"Det faktum, at instrumentet varede så længe, ​​som det gjorde, er et vidnesbyrd om ihærdigheden hos de instrumenthold, der er ansvarlige for at designe, bygge og betjene instrumentet, " sagde Kevin Bowman fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, TES hovedefterforsker.

Et ægte jordsystems ekkolod

TES blev oprindeligt designet til at måle ozon i troposfæren, atmosfærelaget mellem overfladen og højden, hvor interkontinentale jetfly flyver, ved hjælp af højspektralopløsningsobservationer af termisk infrarød stråling. Imidlertid, TES kaster et bredere net, indfange signaturer af en bred vifte af andre atmosfæriske gasser såvel som ozon. Denne fleksibilitet gjorde det muligt for instrumentet at bidrage til en bred vifte af undersøgelser - ikke kun atmosfærisk kemi og virkningerne af klimaændringer, men undersøgelser af vands kredsløb, nitrogen og kulstof.

En af overraskelserne ved missionen var måling af tungt vand:vandmolekyler sammensat af deuterium, en isotop af brint, der har flere neutroner end normalt brint. Forholdet mellem deuterium og "normalt" vand i vanddamp giver fingerpeg om dampens historie - hvordan den fordampede og faldt som nedbør i fortiden - hvilket igen hjælper forskerne med at skelne, hvad der styrer mængden i atmosfæren.

Tungtvandsdata har ført til grundlæggende fremskridt i vores forståelse af vandets kredsløb, som ikke var mulige før, såsom hvordan tropiske tordenvejr holder troposfæren hydreret, hvor meget vand i atmosfæren der fordampes fra planter og jord sammenlignet med overfladevand, og hvordan vand "udåndet" fra den sydlige Amazonas vegetation springer i gang regnskovens regntid. JPL videnskabsmand John Worden, pioneren inden for denne måling, sagde, "Det er blevet en af ​​de vigtigste anvendelser af TES. Det giver os et unikt vindue ind i Jordens hydrologiske cyklus."

Selvom nitrogenkredsløbet ikke er så godt målt eller forstået som vandkredsløbet, nitrogen udgør 78 procent af atmosfæren, og dets omdannelse til andre kemiske forbindelser er afgørende for livet. TES demonstrerede den første rummåling af en vigtig nitrogenforbindelse, ammoniak. Denne forbindelse er en meget brugt gødning til landbruget i fast form, men som en gas, det reagerer med andre forbindelser i atmosfæren og danner skadelige forurenende stoffer.

En anden nitrogenforbindelse, peroxyacetylnitrat (PAN), kan løftes ind i troposfæren fra brande og menneskelige emissioner. Stort set usynlig i data indsamlet på jordniveau, dette forurenende stof kan rejse store afstande, før det falder tilbage til overfladen, hvor det kan danne ozon. TES viste, hvordan PAN varierede globalt, herunder hvordan brande påvirkede dens udbredelse. "TES banede virkelig vejen for vores globale forståelse af både PAN og [ammoniak], to nøglestensarter i den atmosfæriske nitrogencyklus, sagde Emily Fischer, en assisterende professor i afdelingen for atmosfærisk videnskab ved Colorado State University, Fort Collins.

Ozonens tre ansigter

ozon, en gas med både naturlige og menneskelige kilder, er kendt for sine mange "personligheder". I stratosfæren er ozon godartet, beskytte Jorden mod indkommende ultraviolet stråling. I troposfæren, det har to særskilte skadelige funktioner, afhængig af højden. Ved jordoverfladen er det et forurenende stof, der skader levende planter og dyr, inklusive mennesker. Højere i troposfæren, det er den tredjevigtigste menneskeskabte drivhusgas, indfangning af udgående termisk stråling og opvarmning af atmosfæren.

TES data, i forbindelse med data fra andre instrumenter på Aura, blev brugt til at adskille disse personligheder, fører til en markant bedre forståelse af ozon og dets indvirkning på menneskers sundhed, klima og andre dele af jordsystemet.

Luftstrømme i den midterste til øvre troposfære transporterer ozon ikke kun på tværs af kontinenter, men over oceaner til andre kontinenter. En undersøgelse fra 2015 ved hjælp af TES-målinger viste, at den amerikanske vestkysts troposfæriske ozonniveauer var højere end forventet, i betragtning af reducerede emissioner i USA, dels på grund af ozon, der blæste ind over Stillehavet fra Kina. Den hurtige vækst i asiatiske emissioner af forløbergasser - gasser, der interagerer for at skabe ozon, herunder kulilte og nitrogendioxid - ændrede det globale ozonlandskab.

"TES har båret vidnesbyrd om dramatiske ændringer, hvor de gasser, der skaber ozon, produceres. TES's bemærkelsesværdigt stabile målinger og evne til at opløse lagene i troposfæren gjorde det muligt for os at adskille naturlige ændringer fra dem, der er drevet af menneskelige aktiviteter, " sagde JPL videnskabsmand Jessica Neu, medforfatter til undersøgelsen.

Regionale ændringer i emissioner af ozonprækursorgasser ændrer ikke kun mængden af ​​ozon i troposfæren, men dens effektivitet som drivhusgas. Forskere brugte TES-målinger af ozons drivhuseffekt, kombineret med kemiske vejrmodeller, at kvantificere, hvordan de globale mønstre for disse emissioner har ændret klimaet. "For både at forbedre luftkvaliteten og afbøde klimaændringer, vi er nødt til at forstå, hvordan menneskelige forurenende emissioner påvirker klimaet i de skalaer, hvor politikker er vedtaget [dvs. på størrelse med en by, stat eller land]. TES-data banede vejen for, hvordan satellitter kunne spille en central rolle, sagde Daven Henze, en lektor i afdelingen for maskinteknik ved University of Colorado i Boulder.

En stifindermission

"TES var en pioner, at indsamle et helt nyt sæt målinger med nye teknikker, som nu bliver brugt af en ny generation af instrumenter, " sagde Bowman. Dens efterfølgerinstrumenter bruges til både atmosfærisk overvågning og vejrudsigt. Blandt dem er National Oceanic and Atmospheric Administrations Cross-track Infrared Sounder (CrIS) instrument på NOAA-NASA Suomi-NPP satellitten og det infrarøde atmosfæriske lydende interferometer (IASI) serie, udviklet af det franske rumagentur i partnerskab med EUMETSAT, den europæiske meteorologiske satellitorganisation.

Cathy Clerbaux, en senior videnskabsmand ved det franske Centre National de la Recherche Scientifique, som er den førende videnskabsmand på IASI-serien, sagde, "TES' indflydelse på senere missioner som vores var meget vigtig. TES demonstrerede muligheden for at udlede koncentrationen af ​​atmosfæriske gasser ved at bruge interferometri til at observere deres molekylære egenskaber. Selvom lignende instrumenter eksisterede til at lyde den øvre atmosfære, TES var speciel ved at tillade målinger tættere på overfladen, hvor forureningen ligger. De videnskabelige resultater opnået med IASI fik stor gavn af det tætte samarbejde, vi udviklede med TES-forskerne."

TES-forskere har været pionerer på en anden måde:ved at kombinere instrumentets målinger med andre instrumenters målinger for at producere forbedrede datasæt, afslører mere end begge originale observationer. For eksempel, at kombinere Ozon Monitoring Instrument på Auras målinger i ultraviolette bølgelængder med TES' termiske infrarøde målinger giver et datasæt med øget følsomhed over for luftforurenende stoffer nær overfladen.

Holdet anvender nu denne evne til målinger med andre instrumentpar - f.eks. forstærket kulilte (CO) fra CrIS med CO og andre målinger fra TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) på European Space Agencys Copernicus Sentinel-5 Precursor-satellit. "Anvendelsen af ​​TES-algoritmerne til CrIS- og TROPOMI-data vil fortsætte den 18-årige rekord af unikke målinger af kulilte nær overfladen fra [NASA's Terra'-satellits måling af forurening i troposfæren-instrumentet, eller MOPITT] ind i det næste årti, " sagde Helen Worden, en videnskabsmand ved National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado, som både er hovedefterforsker af MOPITT og medlem af TES videnskabsteam.

Disse nye teknikker udviklet til TES sammen med brede applikationer i hele Earth System sikrer, at missionens arv vil fortsætte længe efter TES' sidste farvel.