Hvordan forskere bruger den internationale rumstation til at studere jordens klima

På jorden, vi ser ofte mod himlen og længes efter at vide, hvad der findes i resten af ​​universet. I mellemtiden, 250 miles over vores planet, den internationale rumstation ser tilbage.

Over os, flere jordobservationsinstrumenter er monteret på ydersiden af ​​flere af stationens moduler, inklusive en lem fuld af kameraer, kasser, og værktøjer, der hænger ud for kanten af ​​stationens japanske eksperimentmodul (JEM). Jordobserverende CubeSats udsendes regelmæssigt fra stationens luftsluse. Astronauter tager billeder af planeten fra det kredsende labs vinduer. Denne forpost udfører endda jordvidenskabelige eksperimenter. Alt dette arbejde giver indsigt i klimaet i vores hjem, og hvordan vi kan forberede os på kommende forandringer.

"Hvis du ikke har en god forståelse af, hvordan tingene kan ændre sig, du er i en meget dårlig position til at kunne håndtere det, når de gør det, " siger William Stefanov, leder af Exploration Science Office ved NASAs Johnson Space Center i Houston.

Vejret afspejler atmosfærens forhold over en kort periode, og klima er hvordan atmosfæren "opfører sig" gennem årtier, hundreder af år, eller endda geologiske tidsrum, siger Stefanov.

Det betyder, at de faktorer, der påvirker vores klima, skal spores over lange perioder. Dens mere end 20 år i kredsløb gør rumstationen til et fantastisk sted at indsamle disse langsigtede data. Den kombinerede information skaber et unikt datasæt, der hjælper os med at informere klimabeslutninger og potentielt udvikle løsninger på miljøspørgsmål.

Øjne på jorden

Rumstationen giver et unikt planetperspektiv med en bane, der passerer over 90 procent af jordens befolkning. Dens cirka 52 graders kredsløbshældning gør det muligt for astronauter og jordobserverende nyttelaster at se solen stå op og gå ned 16 gange hver dag over hele verden.

"Den bane gør det muligt for rumstationen at passere forskellige steder på Jorden på forskellige tidspunkter af dagen eller natten og indsamle data. Det er et fundamentalt anderledes datasæt, end de fleste andre fjernmålingsinstrumenter indsamler på fritflyvende satellitter, siger Stefanov.

Monteret på ydersiden af ​​det kredsende laboratorium, internationale nyttelaster såsom ECOSTRESS, GEDI, OCO-3, DESIS, TSIS (også kendt som TSIS-1), og HISUI indsamler individuelt klimarelaterede data. I kombination, de giver et unikt sæt målinger, der kan skubbe til forkant med miljøforskning.

"OCO-3-teamet ønsker at forstå planter og deres rolle i kulstofkredsløbet, " siger OCO-3-projektforsker Annmarie Eldering fra NASA's Jet Propulsion Lab i det sydlige Californien. "Det viser sig, at vores rumstationsnabo ECOSTRESS ser på, hvordan planter reagerer på stress. Og så er der GEDI, som ser på hvor meget plantemateriale der er på jorden. Forskere, der tænker på planter og deres rolle i kulstofkredsløbet, er super begejstrede. Vi har hørt en masse diskussion om, hvordan vi kan bruge alle data sammen til bedre at forstå planter."

OCO-3-sensoren bruger sollysreflektioner gennem atmosfæren til at måle variationer i atmosfærisk kuldioxid, observere ændringer på mindre end en enkelt del per million.

"De fleste gasser som ozon, carbonmonoxid, eller vanddamp fordobles eller tredobles i atmosfærisk koncentration, når de er forurenede, så det er ret nemt at opdage. Men for kuldioxid, det er enestående svært at se ændringerne, siger Eldering.

At måle disse små ændringer kan være nøglen til at besvare mangeårige spørgsmål om atmosfærisk kuldioxid.

"Heldigvis for os, planterne og havet absorberer omkring halvdelen af ​​de menneskeskabte kuldioxidemissioner hvert år. Men der er stadig mysterier omkring, hvordan de gør det, hvorfor beløbet er forskelligt hvert år, og hvordan absorption vil ske i fremtiden, " siger Eldering. "Vores data er beregnet til at hjælpe med at besvare den slags spørgsmål."

Kulstoflagring og -fjernelse er også blevet undersøgt både inde og ude på stationen. Photobioreactor undersøgte, om mikroalger kunne hjælpe med at lukke kulstofsløjfen i livsunderstøttende systemer, og Kuwaits eksperiment:E. coli C5 undersøgte effekten af ​​mikrotyngdekraft på E. coli-bakterier, der blev modificeret til at indtage kuldioxid som fødekilde. Billeder taget af den tidligere rumstations nyttelast HICO hjalp endda med at udvikle en algoritme til at opdage skadelige algeopblomstringer. Alger spiller en stor rolle i det globale kulstofkredsløb, og opblomstringer er ansvarlige for meget af havets kulstofabsorption.

Med andre enheder såsom SAGE-III sporing af ozon, ISS-LIS og ASIM overvåger lyn, og TSIS sporer den samlede energi, der strømmer ind i Jorden fra Solen, stationsforsøg fremmer adskillige klimarekorder og modeller.

"Klimaforandringerne udgør det, der måske er menneskehedens største miljømæssige udfordring, " siger tidligere TSIS-hovedforsker og University of Colorado Boulder-professor Peter Pilewskie. "Overvågning af den energi, der strømmer ind i, inden for, og ud af systemet understøtter vores evne til at forstå, hvordan klimasystemet fungerer, erkende, at det ændrer sig, og identificere de mekanismer, der er ansvarlige for klimaændringer."

Station tilbyder en standardiseret, egnet platform til at huse jordobservationseksperimenter såsom TSIS. På størrelse med en fodboldbane og udstyret med adskillige fastgørelsespunkter, masser af datakapacitet, og en stor strømforsyning (skal blive endnu større med den kommende installation af iROSA-solpanelerne, rumstationen kan være vært for en lang række instrumenter samtidigt.

Tilgængeligheden af ​​disse ressourcer gjorde stationen til en god sidste-øjebliks-mulighed for TSIS-teamet til hurtigt at få deres nyttelast i kredsløb. Efter nogle forsinkelser, holdet stod over for potentielle fejl i tidligere sporingsinstrumenter, før TSIS kunne lanceres.

"Det begyndte at blive ret voldsomt, fordi nøjagtigheden af ​​klimaregistreringen opretholdes på det højest mulige niveau, når dataregistreringen er kontinuerlig, " siger Pilewskie. "På grund af rumstationen, vi var i stand til at fortsætte denne rekord."

Efter at forskere har lært det grundlæggende i at skabe en nyttelast til rumstationen, den viden kan de anvende på fremtidige stationsprojekter. Pilewskie arbejder allerede på sit næste eksperiment, CLARREO Pathfinder, planlagt at blive lanceret inden for de næste par år.

"Den værdi, vi fik ved at betjene et instrument på en station, der skulle pege meget præcist, kan ikke undervurderes, " siger Pilewskie. "Vi er nødt til at gøre det samme med CLARREO Pathfinder, så vi bruger nogle af de samme motorer, som vi bruger til at drive TSIS-instrumenterne."

CLARREO planlægger at studere Jordens klima ved at tage målinger af sollys reflekteret af Jorden og Månen med fem til ti gange lavere usikkerhed end målinger fra eksisterende sensorer.

Det menneskelige element

Det er ikke kun sensorer, der overvåger vores planet fra oven. Det gør folk også.

Rumstationens vinduer giver mulighed for astronautfotografering og manuel indsamling af klimadata. Astronauter har taget mere end 4 millioner billeder af Jorden fra rummet (over 3,5 millioner fra rumstationen), bidrager til en af ​​de længst kørende registreringer af, hvordan Jorden har ændret sig over tid. Besætningsjordobservationer understøtter i øjeblikket en række undersøgelser af natlys i byer, overvågning af gletsjer og vulkaner, og undersøgelser af atmosfæriske processer påvirket af kraftige vulkanudbrud. Billederne bruges også i økologiske undersøgelser, herunder et samarbejdsprojekt kaldet AMASS, som sporede fugletrækruter og virkningerne af ændringer, der fandt sted langs disse ruter.

Disse billeder understøtter også katastrofehjælp til begivenheder som orkaner og naturbrande. Efter at have modtaget underretning om en naturkatastrofe, videnskabsmænd på jorden afgør, om besætningen vil være i stand til at se dette område, mens de kredser over hovedet. Hvis så, besætningen fanger og sender billeder tilbage til Jorden. Billederne er derefter georefereret til brug af farehold på jorden. Astronautbilleder har været nyttige til naturbrande, for eksempel, viser respondenterne, hvor røgfanen er på vej hen.

Indsættelse ud over stationen

Station udvider sin klimavidenskabelige effekt ved at implementere CubeSats i lavt kredsløb om Jorden. Disse enheder i skoæskestørrelse, som indeholder teknologidemonstrationer eller tester nye typer klimavidenskab, lancering til stationen sammen med tusindvis af pund af andre forskningsundersøgelser og lastforsyninger. Astronauter losser og forbereder dem på stationen og sætter dem derefter ud af stationens luftsluse.

"Mange af vores mindre satellitter, CubeSats, får forlystelser på grund af rumstationen. Det har været en stor ressource for små programmer, især universiteter eller NASA-centre, der forsøger at få nogle små projekter i gang. CubeSats kan være deres første trædesten til større ting, " siger TSIS og NanoRacks-MinXSS hovedefterforsker Tom Woods. "Rumstation tilbyder en masse muligheder for at få disse mindre ting ud i rummet."

Mere end 250 CubeSats er blevet frigivet fra stationen, herunder mange klimacentrerede nyttelaster. For eksempel:

• Den studerende-designede NanoRacks-MinXSS CubeSat målrettede en bedre forståelse af solens røntgenenergi, og hvordan det påvirker lagene i Jordens øvre atmosfære.
• DIWATA-1-satellitten leverer fjernmålingsinformation til Filippinerne ved at observere meteorologiske katastrofer såsom tyfoner og lokalt kraftig regn.
• HARP CubeSat hjælper os med bedre at forstå, hvordan skyer og aerosoler påvirker vejret, klima, og luftkvalitet.

Når jordens klima ændrer sig, Den Internationale Rumstation vil se fra oven, hjælper med at give unik indsigt, der er nødvendig for at holde vores planet sikker.