Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) markerer 15 år for at se, hvad der er i luften

Præcise vejrudsigter redder liv. NASA's Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) instrument, lanceret på denne dato for 15 år siden på NASAs Aqua -satellit, markant øget vejrudsigtsnøjagtighed inden for et par år ved at levere ekstraordinære tredimensionelle kort over skyer, lufttemperatur og vanddamp i hele atmosfærens vejrskabende lag. Femten år senere, AIRS er fortsat et værdifuldt aktiv for prognosemænd over hele verden, sender 7 milliarder observationer, der strømmer ind i prognosecentre hver dag.

Udover at bidrage til bedre prognoser, AIRS kortlægger drivhusgasser, sporer vulkanske emissioner og røg fra skovbrande, måler skadelige forbindelser som ammoniak, og angiver regioner, der kan være på vej mod en tørke. Har du undret dig over, hvordan ozonhullet over Antarktis heler? Det bemærker AIRS også.

Disse fordele kommer, fordi AIRS ser mange flere bølgelængder af infrarød stråling i atmosfæren, og laver langt flere observationer om dagen, end de observationssystemer, der tidligere var tilgængelige. Før AIRS blev lanceret, vejrballoner leverede de mest markante vejrobservationer. Tidligere infrarøde satellitinstrumenter blev observeret ved hjælp af omkring to dusin brede "kanaler", der i gennemsnit havde mange bølgelængder sammen. Dette reducerede deres evne til at opdage vigtig vertikal struktur. Traditionelle vejrballoner producerer kun et par tusinde sonderinger (atmosfæriske lodrette profiler) af temperatur og vanddamp om dagen, næsten helt over land. AIRS observerer 100 gange flere bølgelængder end de tidligere instrumenter og producerer tæt på 3 millioner lydninger om dagen, dækker 85 procent af kloden.

AIRS observerer 2, 378 bølgelængder af varmestråling i luften under satellitten. "At have flere bølgelængder giver os mulighed for at få en finere lodret struktur, og det giver os et meget skarpere billede af atmosfæren, " forklarede AIRS-projektforsker Eric Fetzer fra NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. Vejret opstår i troposfæren, 7 til 12 miles høj (11 til 19 kilometer). Det meste af den infrarøde stråling, der observeres af AIRS, stammer også fra troposfæren.

AIRS blev meget hurtigt anerkendt som et stort fremskridt. Kun tre år efter lanceringen, tidligere National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) administrator Conrad Lautenbacher sagde, at AIRS leverede "den mest markante stigning i prognoseforbedring [i vores tid] for et enkelt instrument."

I begyndelsen

AIRS var hjernebarn af NASA -videnskabsmanden Moustafa Chahine. I 1960'erne, Chahine og kolleger udtænkte først ideen om at forbedre vejrudsigten ved at bruge et hyperspektralt instrument - et, der bryder infrarød og synlig stråling i hundredvis eller tusindvis af bølgelængdebånd. Han fløj nogle eksperimentelle prototyper så tidligt som i 1970'erne, men AIRS kom ikke til virkelighed, før fremskridt inden for miniaturisering gjorde det muligt at bygge et instrument med den nødvendige kapacitet, der ikke var for tungt og omfangsrigt at lancere. Chahine, der døde i 2011, blev den første leder af AIRS Science Team.

Instrumentet er bygget af BAE Systems, nu placeret i Nashua, New Hampshire, under ledelse af JPL. Det er et af seks instrumenter, der flyver på Aqua-satellitten i A-Train-satellitkonstellationen. Med et planlagt missionsliv på fem år, det går stadig stærkt på 15 og forventes at vare indtil Aqua løber tør for brændstof i 2022.

Værdien af ​​AIRS til vejrudsigter blev kvantificeret i flere forsøg af prognosecentre over hele verden. I særdeleshed, Det Europæiske Center for Mellemklasse Vejrudsigter (ECMWF) har detaljeret undersøgt indvirkningen på prognoser for forskellige observationssystemer. "ECMWF-undersøgelser har vist, at i mange tilfælde, AIRS er ansvarlig for at reducere prognosefejl med mere end 10 procent. Dette er den største prognoseforbedring af et enkelt satellitinstrument i 2000'erne, " sagde Joao Teixeira fra JPL, lederen af ​​AIRS Science Team.

At se mere end vejret

Forskere vidste altid, at AIRS' målinger indeholdt information ud over, hvad meteorologer har brug for til vejrudsigt. De spektrale bølgelængder, den ser, omfatter dele af det elektromagnetiske spektrum, der er vigtige for at studere klimaet. Kuldioxid og andre atmosfæriske sporgasser efterlader deres signaturer i målingerne. Chahine kommenterede senere, "Informationen er der alt sammen i spektrene. Vi skulle bare finde ud af, hvordan vi kunne udtrække dem."

I midten til slutningen af ​​2000'erne, AIRS-projektteamet tog den udfordring op. I 2008 under Chahines ledelse, de udgav de første globale satellitkort nogensinde over kuldioxid i midten af ​​troposfæren. Disse målinger viste for første gang, at den vigtigste menneskeskabte drivhusgas ikke var jævnt blandet i den globale atmosfære, som forskere havde troet, men varierede med så meget som 1 procent (2 til 4 molekyler kuldioxid ud af hver million molekyler i atmosfæren).

Siden da, mere og mere information er blevet udtrukket fra AIRS-spektrene. Holdet producerer nu også datasæt for metan, carbonmonoxid, ozon, svovldioxid og støv, en vigtig indflydelse på, hvor meget stråling der når Jorden fra solen, og hvor meget der slipper ud fra Jorden til rummet. Forskere har brugt disse nye datasæt, og også den originale AIRS -temperatur, sky- og vanddatasæt, for mange opdagelser. For at nævne et par seneste resultater:

• En undersøgelse fra 2015 viste, at AIRS' målinger af relativ luftfugtighed nær Jordens overflade viser lovende i at opdage begyndelsen af ​​tørke næsten to måneder før andre indikatorer.
• I 2013 forskere brugte AIRS' dataregistrering til at finde 18 globale hot spots for atmosfæriske tyngdekraftsbølger - op-og-ned krusninger, der kan dannes i atmosfæren over noget, der forstyrrer luftstrømmen, såsom tordenvejr eller en bjergkæde. Denne nye registrering af, hvor og hvornår forstyrrelser regelmæssigt skaber tyngdekraftsbølger, er værdifuld for at forbedre vejr- og klimaudsigterne.
• Global opvarmning øger mængden af ​​vanddamp i atmosfæren, hvilket igen opvarmer atmosfæren yderligere. Denne form for selvfødende proces kaldes en positiv feedback-loop. Klimaforskere havde længe teoretiseret, at denne feedback kunne fordoble opvarmningen fra stigninger i kuldioxid. AIRS' temperatur- og fugtighedsdata gjorde det muligt for dem at bekræfte denne hypotese for første gang.

AIRS' arv

På grund af sin bragende succes, AIRS er ikke længere enestående. "Missionen har demonstreret en målemetode, der vil blive brugt af operationelle agenturer i en overskuelig fremtid, " sagde AIRS-projektleder Tom Pagano fra JPL. Allerede, der er tre andre hyperspektrale lydgivere i kredsløb:Cross-track Infrared Sounder (CrIS) på NASA/NOAA Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP), og to Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) instrumenter på EUMETSATs Metop-A og -B satellitter. Yderligere lydgivere er planlagt til lancering i 2030'erne.

Sammen, disse hyperspektrale instrumenter vil skabe en registrering af meget nøjagtige målinger af vores atmosfære, der vil vare mange årtier. Det vil tilføje endnu en fordel til AIRS' arv:potentialet for at forbedre forståelsen af ​​klimaet i dag og fremtiden.