NASA små satellitter kan hjælpe orkanprognoser med GPS

Otte satellitter på størrelse med mapper, der flyver i træk, kan være nøglen til at forbedre prognoserne for en orkans vindhastighed – at detektere, om den vil komme i land som en kategori 1 eller en kategori 5. NASA's Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) flåde, lanceret i 2016, blev designet til at vise, om de samme GPS-signaler, som din telefon bruger til navigation, kan bruges til at måle vinde dybt inde i en orkan eller tyfon. Svaret ser ud til at være et rungende ja.

Vejrudsigtsmodeller er blevet meget bedre til at forudsige fremtidens spor af en orkan eller tyfon, men de er ikke blevet bedre til at forudsige dens maksimale vindhastighed, som videnskabsmænd kalder intensitet. Det er fordi disse tropiske kæmper bliver styret af kræfter udefra, såsom regionale vinde, men deres intensitet afhænger af kræfterne i hver storm. Og mens mange satellitter kan se de ydre vinde, de kan ikke se gennem en orkans tykke skyer og regn.

CYGNSS hovedefterforsker Christopher Ruf fra University of Michigan i Ann Arbor forklarede:"For at forudsige intensitet, du skal måle vindhastigheden lige midt i stormen og, indtil CYGNSS, der har ikke været en anden måde at gøre det på end at flyve Hurricane Hunter-fly."

De nye CYGNSS-data viste sig at være et fremragende match med Hurricane Hunter-data indsamlet på samme tid under 2017's orkaner Maria, Irma og Jose. De otte små satellitter - der kredsede om med kun 12 minutters mellemrum mellem hver - indsamlede flere data om hver storm, end der kunne indsamles under en Hurricane Hunter-flyvning.

Sådan ser du gennem regn og skyer

For at se, hvad der er i atmosfæren, mange jordobservationssatellitter udsender elektromagnetiske signaler med bølgelængder, der kun er brøkdele af en tomme lange. Til disse kortbølgelængdesignaler, en dråbe støvregn, støvpartikler eller andre luftbårne partikler er en uigennemtrængelig forhindring. Selvom bølgelængderne er længere end disse små partikler, de er tæt nok i størrelse til, at signaler preller af partikler som en billardkugle, der kolliderer med en anden bold. Ved at "læse" disse spredte signaler, forskere kan skelne formen og placeringen af ​​skyer og andre forhindringer, som signalerne løb ind i.

Med andre ord, korte bølgelængder lader forskere se en storm, men ikke gennemskue den.

CYGNSS, på den anden side, bruger GPS-signaler. Deres bølgelængde er 7,5 tommer (19 centimeter) lang - langt længere end enten de korte bølgelængder, de fleste satellitinstrumenter bruger, eller nogen regndråbe nogensinde målt. Ved den bølgelængde, Ruf sagde, "Du ser slet ikke en regndråbe. Du går bare lige igennem den." Det gør det muligt for CYGNSS at se gennem en orkan og måle vindene ved havoverfladen.

GPS satellitter, drevet af det amerikanske luftvåben, er i en meget højere kredsløb end CYGNSS-flåden. Når en GPS-satellit flyver over en tropisk cyklon, dens signaler passerer uhindret gennem stormen og hopper af havets overflade. I deres nedre kredsløb, CYGNSS's nedadvendte GPS-modtagere er i stand til at opfange signaler, der vender tilbage opad. Forvrængninger i disse tilbagekastede signaler viser, hvor barsk havet er, gør det muligt for forskere at beregne vindhastigheden, der forårsagede ruheden.

Forvandling af signaler til målinger

CYGNSS' otte små satellitter har fungeret godt siden opsendelsen, men missionens videnskabsmænd stødte ind i en stor forhindring på vejen til at behandle GPS-signalerne til vindhastighedsdata. Ved udformningen af ​​missionen, forskere antog, at GPS-signaler udsendes med konstant styrke. Men da forskerne begyndte at indsamle data, de fandt ud af, at signalstyrken fra de fleste GPS-satellitter ændrer sig under hver bane, og at graden af ​​ændring er forskellig fra satellit til satellit. Disse variationer afskød CYGNSS-satellitternes målinger af kraftig vind med så meget som 11 mph (18 km/t).

"Vi brugte et år eller mere på at arbejde på problemet, og vi fandt endelig ud af det, " sagde Ruf. "I bund og grund, luftvåbnet skruer op for strømmen, når de går over visse dele af verden, hvor skurke forsøger at blokere signalerne." Stærkere signaler er sværere at blokere.

Da CYGNSS-teamet forstod problemet, de fandt en løsning. Hver CYGNSS-satellit bærer ikke kun en primær GPS-modtager til at indsamle signaler, der hopper op fra Jordens overflade, men også en sekundær, mindre modtager til placering og sporing. Holdet omprogrammerede de mindre modtagere til at måle styrken af ​​det udsendte signal, der ankom fra overhead, som gav dem den information, de havde brug for for korrekt at behandle de signaler, der returnerer nedefra.

Med det problem løst, forskerne kunne gå over til opgaven med at vurdere, hvordan CYGNSS-data ville påvirke orkanprognoser.

Eksperimenterer med en forskningsversion af den samme orkanmodel, som National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) bruger til prognoser, forskerne tilføjede CYGNSS-data til rekonstruktioner af to af 2017's bemærkelsesværdige storme, orkanerne Harvey og Irma. Tilføjelsen af ​​CYGNSS-data gav mere realistiske prognoser, ikke kun af stormenes intensitet, men deres spor og struktur. Andre undersøgelser har vist lignende forbedringer i prognoser for forskellige storme.

En uventet vandig bonus

Til Rufs overraskelse, CYGNSS har vist sig at have en uforudset anvendelse. CYGNSS-teamet havde planlagt rutinemæssigt at slukke deres modtagere, når satellitterne flyver over land, men holdet besluttede at forenkle deres operationer ved at lade satellitterne indsamle data hele tiden. To postdoc-studerende ved NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, besluttede at se på data fra land. "Det var virkelig held, så meget som noget andet, men det viser sig, at der er alverdens god videnskab, du kan lave med jorddata for at måle jordfugtighed og oversvømmelser, " sagde Ruf.

Som de tidligere elever, Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research in Boulder, Colorado) og Hugo Carreno-Luengo (Barcelona, Spanien), har dokumenteret værdien af ​​data, NASA har nu officielt udvidet missionens omfang og inviteret videnskabsholdet til at omdefinere missionens formål. Der kan være andre applikationer, der venter på at blive opdaget, da de otte små CYGNSS-satellitter bliver ved med at se skjulte vinde i tropiske storme.