Ny NASA-software simulerer videnskabelige missioner til observation af terrestrisk ferskvand

Fra radarinstrumenter, der er mindre end en skoæske til radiometre på størrelse med en mælkekarton, er der flere værktøjer til rådighed for videnskabsmænd i dag til at observere komplekse jordsystemer end nogensinde før. Men denne overflod af tilgængelige sensorer skaber sin egen unikke udfordring:hvordan kan forskere organisere disse forskellige instrumenter på den mest effektive måde til feltkampagner og videnskabelige missioner?

For at hjælpe forskere med at maksimere værdien af ​​videnskabelige missioner har Bart Forman, en lektor i civil- og miljøteknik ved University of Maryland, og et team af forskere fra Stevens Institute of Technology og NASAs Goddard Space Flight Center prototype lavet et observationssystemsimuleringseksperiment (OSSE) til at designe videnskabelige missioner dedikeret til overvågning af terrestrisk ferskvandsopbevaring.

"Du har forskellige sensortyper. Du har radarer, du har radiometre, du har lidarer - hver enkelt måler forskellige komponenter af det elektromagnetiske spektrum," siger Bart Forman, lektor i civil- og miljøteknik ved University of Maryland. "Forskellige observationer har forskellige styrker."

Terrestrisk ferskvandsopbevaring beskriver den integrerede sum af ferskvand spredt ud over Jordens sne, jordfugtighed, vegetationskrone, overfladevandsdepoter og grundvand. Det er et dynamisk system, der trodser traditionelle, statiske systemer for videnskabelig observation.

Formans projekt bygger på tidligere teknologiske fremskridt, han opnåede under et tidligere Earth Science Technology Office-projekt (ESTO), hvor han udviklede et simuleringseksperiment til observationssystem til kortlægning af terrestrisk sne.

Det er også stærkt afhængigt af innovationer, der er udviklet af NASA's Land Information System (LIS) og NASA's Trade-space Analysis Tool for Designing Constellations (TAT-C), to modelleringsværktøjer, der begyndte som ESTO-investeringer og hurtigt blev hæfteklammer i det jordvidenskabelige samfund.

Formans værktøj inkorporerer disse modelleringsprogrammer i et nyt system, der giver forskere en brugerdefinerbar platform til planlægning af dynamiske observationsmissioner, der omfatter en mangfoldig samling af rumbårne datasæt.

Derudover indeholder Formans værktøj også et "dollar-til-videnskab" omkostningsestimatværktøj, der giver forskere mulighed for at vurdere de økonomiske risici forbundet med en foreslået mission.

Tilsammen giver alle disse funktioner videnskabsmænd muligheden for at sammenkæde observationer, dataassimilering, usikkerhedsvurdering og fysiske modeller inden for en enkelt integreret ramme.

"Vi tog en landoverflademodel og forsøgte at flette den sammen med forskellige rumbaserede målinger af sne, jordfugtighed og grundvand for at se, om der var en optimal kombination til at give os mest muligt for vores videnskabelige penge," forklarede Forman.

Selvom Formans værktøj ikke er det første informationssystem dedikeret til design af videnskabelige missioner, indeholder det en række nye funktioner. Især dens evne til at integrere observationer fra rumbårne passive optiske radiometre, passive mikrobølgeradiometre og radarkilder markerer et betydeligt teknologisk fremskridt.

Forman forklarede, at selvom disse indirekte observationer af ferskvand indeholder værdifuld information til kvantificering af ferskvand, indeholder de også hver deres unikke fejlkarakteristika, der skal integreres omhyggeligt med en landoverflademodel for at give estimater af geofysiske variabler, som forskerne bekymrer sig mest om.

Formans software kombinerer også LIS og TAT-C inden for en enkelt softwareramme, hvilket udvider begge systemers muligheder for at skabe overlegne beskrivelser af global terrestrisk hydrologi.

Faktisk understregede Forman vigtigheden af ​​at have et stort, mangfoldigt team med eksperter fra hele jordvidenskabs- og modelleringssamfundene.

"Det er rart at være en del af et stort team, fordi det er store problemer, og jeg kender ikke selv svarene. Jeg skal finde en masse mennesker, der ved meget mere, end jeg gør, og få dem til at springe ind. og smøg ærmerne op og hjalp os. Og det gjorde de," sagde Forman.

Efter at have skabt et simuleringseksperiment med observationssystem, der er i stand til at inkorporere dynamiske, rumbaserede observationer i missionsplanlægningsmodeller, håber Forman og hans team, at fremtidige forskere vil bygge videre på deres arbejde for at skabe et endnu bedre missionsmodelleringsprogram.

Mens Forman og hans team for eksempel fokuserede på at generere missionsplaner for eksisterende sensorer, kunne en udvidet version af deres software hjælpe forskere med at bestemme, hvordan de kan bruge fremtidige sensorer til at indsamle nye data.

"Med den slags ting, som TAT-C kan, kan vi skabe hypotetiske sensorer. Hvad hvis vi fordobler skårbredden? Hvis den kunne se dobbelt så meget plads, giver det os så mere information? Samtidig kan vi stille spørgsmål vedr. virkningen af ​​forskellige fejlkarakteristika for hver af disse hypotetiske sensorer og udforske den tilsvarende afvejning," sagde Forman.

Leveret af NASA