Ny NASA-radar ser ud til at overvåge vulkaner og jordskælv fra rummet

I stedet for at se op til himlen efter lyse udbrud af brændende farver, et forskerhold brugte den fjerde juli 2018 på at kigge ned på brændende globs af smeltet lava fra et faldskærmsudspringende fly. Boltet til deres fly var et nyt NASA-instrument designet til at registrere hver gang vulkanen tog et åndedrag, da dens caldera svulmede og tømte luft.

Holdet fløj flere flyvninger over Kilauea-vulkanen i Hawaii Volcanoes National Park fra 3. til 5. juli, 2018, at demonstrere, hvordan et nyt instrument kan bane vejen for en fremtidig konstellation af små satellitter dedikeret til at overvåge påvirkninger fra vulkansk aktivitet, jordskælv og ændringer i landoverflader, sagde Lauren Wye, hovedefterforskeren, der ledede og for nylig afsluttede instrumentets udvikling hos SRI International i Menlo Park, Californien.

Et globalt kort, der beskriver landhøjdeændringer over tid, kan hjælpe forskerne med at lokalisere jordens bevægelse før, under og efter jordskælv og vulkanudbrud, og hjælpe med at identificere påvirkninger fra oversvømmelser og grundvandspumpning. "CubeSat Imaging Radar for Earth Sciences, eller CIRES, kan hjælpe beslutningstagere og beredskabsledere med at få observationer hurtigere efter en farlig hændelse, så de er bedre forberedt til at håndtere katastrofehjælp, " sagde Wye.

Selvom Kīlaueas udbrud påvirkede over 50 kvadratkilometer land, jorddeformation, eller en ændring i landhøjde, er ikke altid mærkbar for det menneskelige øje. Højt specialiseret teknologi som Wyes nye instrument kan lokalisere og registrere disse ændringer.

CIRES er udstyret med en S-bånds Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). S-båndsradaren er i stand til at trænge gennem vegetation og nå jorden. CIRES tager to radarbilleder af et bestemt område fra omtrent samme position i rummet på to forskellige tidspunkter og behandler derefter de to billeder for at bestemme forskellen mellem dem.

De Nationale Videnskabsakademier, Engineering and Medicines 2017 Decadal Survey, "Thriving on Our Changing Planet:A Decadal Strategy for Earth Observations from Space, " anbefaler, at NASA bruger InSAR-målinger til at hjælpe med at adressere dynamikken i jordskælv, vulkaner, jordskred, gletsjere, grundvand og Jordens indre.

En konstellation af små InSAR-satellitter kunne arbejde sammen med NASA-ISRO SAR Mission (NISAR), som er NASA's første dedikerede InSAR-satellit i øjeblikket under udvikling. Flere små satellitter kunne indsamle hyppige data over hurtigt udviklende processer, som vulkanudbrud, jordskælv og jordskred, tilføjelse til NISARs systematiske globale data.

Der var engang en radar

Traditionelt, forskere overvåger jordens deformation med on-the-ground sensorer og Global Positioning System (GPS). InSAR-målinger er komplementære til jordmålinger og kan ofte vejlede, hvordan jordsensorer installeres. "InSAR-data har revolutioneret, hvordan vi ser på jordskælv og vulkaner, "Kyle Anderson, en geofysiker ved U.S. Geological Survey, sagde.

I kredsløb, en række små InSAR-satellitter kunne kigge ned og registrere ændringer i jordens deformation. "Vulkaner vil ofte pustes op med magma, før de går i udbrud, " sagde Anderson. Anderson arbejdede med CIRES-teamet i Kilauea. "Selvom det er svært at forudsige, hvor stort eller hvor længe udbruddet vil være, vi kan sige, denne vulkan begyndte at puste op, og der er større sandsynlighed for, at den går i udbrud."

CIRES-projektet begyndte i januar 2015 på SRI International med finansiering fra NASAs Earth Science Technology Office til at udvikle instrumentets radarelektronikhardware over to år. Den modtog derefter yderligere tre års finansiering til at forberede radaren til rummet, demonstrere billeddannelsesevnerne via fly, inklusive både ombord og fjernstyrede fly, og fremfør en rum-deployerbar antenne for at færdiggøre instrumentet.

"InSAR har været særlig nyttig til bedre at forstå vulkaner i fjerntliggende områder, " sagde Anderson. F.eks. teknologien hjalp videnskabsmænd med at bemærke deformation nær Three Sisters klyngen af ​​vulkaner i det centrale Oregon fra 1997 til 2001. InSAR identificerede deformation i et område, der sidst så et udbrud 1, 500 år siden. På grund af de observerede ændringer, USGS installerede seismometre, GPS-stationer og gasovervågningsudstyr til at kontrollere for andre tegn på aktivitet. I 2004 disse instrumenter opdagede en sværm på 300 små jordskælv.

"InSAR giver dig mulighed for at få brede dækningsområder og se, hvordan en del af vulkanens caldera ændrer sig i forhold til en anden del, "Patrick Rennich, lederen af ​​CIRES signalbehandling og eksperimentdesign, sagde. Typisk, forskere placerer et begrænset antal GPS-sensorer på bestemte dele af vulkanen for at overvåge enhver bevægelse. "CIRES burde være i stand til at dække hele calderaen, " sagde Rennich.

Trin til rummet

Under udvikling, "holdet løb ind i mange hikke, " sagde Wye. Men med hver hikke, som en forsinket testflyvning, holdet blev innovativt. "Det førte til en masse sjove øvelser, " sagde Wye.

En af disse øvelser så holdet spænde instrumentet fast på en kørende bil. De kørte bilen, som de kaldte "CarSAR, " langs forhøjede veje i Bay Area i det nordlige Californien i begyndelsen af ​​2018 for at se, hvordan CIRES ville opfange information i en dal nedenfor. "Men vi havde virkelig brug for at komme højere op for at teste vores data, " sagde Wye.

Da Kīlauea-vulkanen begyndte at gå i udbrud i maj 2018, de så deres mulighed. Den 4. juli 2018, lava flød, og vulkanens caldera var ved at kollapse. CIRES opnåede med succes SAR, eller snapshotbilleder, men kunne ikke få InSAR, eller sammenligningsbilleder, over Kilauea, dels fordi, "Det var svært at flyve på nøjagtig den samme sti hver dag, " sagde Rennich.

Flyvningerne over Kilauea, blandt andre feltforsøg, hjalp teamet med at lære, hvad der virkede og ikke virkede, da de udviklede instrumentet. De var i stand til at optimere CIRES for at forbedre dets strømstyring, størrelse, sensorkapacitet og evne til at modstå varme.

I december 2019, holdet spændte igen CIRES, med opdateret hardware og software, til et fly normalt reserveret til kommerciel faldskærmsudspring og fløj 10, 000 fod over en hærtræningsfacilitet i Indiana. "Det viser sig, at operatører af faldskærmsudspring er meget komfortable med at flyve med en åben dør, " sagde Rennich.

Holdet fløj CIRES over en simuleret oversvømmet landsby ved Muscatatuck Urban Training Center for bedre at forstå radarsignaturer i et oversvømmet bymiljø. Flyvningen producerede også data, der kunne forbedre algoritmer, der kvantificerer omfanget af oversvømmelser og relaterede skader. NASA's Earth Science Technology Office og Disasters Program hjalp med at finansiere flyvningerne og analysen af ​​CIRES-dataene.

"Ved at montere CIRES på et fly, vi kunne flyve i forskellige vinkler og se, hvordan forskellige bygningsorienteringer påvirker, hvordan de vises på radarbilleder på grund af oversvømmelser, "Sang-Ho Yun, en geofysiker og medforsker af dette projekt ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, sagde. "Oversvømmelse er som et spøgelse, " sagde Yun; dens flygtige natur gør det vanskeligt at vurdere nøjagtigheden af ​​oversvømmelseskortlægningsteknikker.

Holdet udførte også et eksperiment, hvor de kontrollerede bevægelse på jorden for at teste CIRES. Under Indiana-flyvningen, "En af vores kolleger på jorden ville hæve sølvfarvede metalreflektorer med en halv centimeter til en centimeter for at vise, at vi kan registrere det niveau af forandring, " sagde Rennich. Dette hjalp med at bevise, at CIRES indsamlede nøjagtige InSAR-data.

Flyvningerne var delvist succesrige, fordi holdet var i stand til at flyve CIRES ad den samme sti flere gange i træk, hvilket de ikke var i stand til på Hawaii. "Vi implementerede et bedre pilotnavigationssystem, " sagde Rennich, hvilket gjorde det muligt for holdet at flyve inden for få fod fra, hvor de havde fløjet den foregående dag. På Hawaii, de fløj cirka 500 fod fra den foregående dags kurs.

"Når du er i rummet, bane er meget mere gentagelig, " sagde Rennich, fordi hver satellit er på en forudsigelig, sporbart forløb.

For at holdet skal lave CIRES, eller et CIRES-lignende instrument, der arbejder i rummet, de ville være nødt til at udvide dens antenne betydeligt, fra to fod på tværs til 10 fod på tværs, sagde Rennich. "Alt andet forbliver stort set det samme, " han sagde.

"Små satellitter, lignende i omfang som CIRES, kan være et drømmesystem fra et hurtig katastrofeberedskabssynspunkt, " sagde Yun. Selvom små satellitter, ligesom CIRES, vil ikke være i stand til at opnå samme nøjagtighed som større systemer, de kunne få data oftere, når en katastrofe rammer. "Med små satellitter, vi kan omkostningseffektivt nå dette mål, " sagde Yun.