Jak działa COSMIC

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego Twoje urządzenie Global Positioning System (GPS) czasami umieszcza Cię w środku budynku, kiedy masz pewność, że nadal jesteś na ulicy lub chodniku? Frustrujące, tak, ale problem nie polega na dokładności samej sieci GPS (lokalizacja satelitów GPS jest znana dość dokładnie). Problem polega na zniekształceniach sygnału GPS spowodowanych atmosferą wokół ciebie. Temperatura, ciśnienie i wilgotność w powietrzu — a nawet zmiany elektryczne w górnej atmosferze — mają skumulowany wpływ na sygnał GPS, zanim dotrze on do Twojej lokalizacji.

Przekształcając występek w cnotę, COSMIC to przełomowy wspólny projekt Stanów Zjednoczonych i Tajwanu, który nasłuchuje zniekształceń w sygnale GPS i oblicza informacje, które można wykorzystać do poprawy prognozowania pogody, przewidywania zmian klimatu i monitorowania zmieniającego się magnetyzmu Ziemi .

Korzystając z koncepcji opracowanej w latach 60. dla misji Mariner IV na Marsa i opartej na sukcesie wstępnego eksperymentu weryfikującego koncepcję (Global Positioning System/Meteorology lub GPS/MET) pod koniec lat 90., University Corporation for Dział Badań Atmosferycznych (UCAR) w Boulder w stanie Kolorado i Tajwańska Narodowa Organizacja Kosmiczna (NSPO) osiągnęły porozumienie w 2001 r. w sprawie opracowania bardziej solidnego programu eksperymentalnego. Choć jej oficjalny tytuł to misja satelitarna Formosa nr 3/system obserwacji gwiazdozbiorów w meteorologii, jonosferze i klimacie (FORMOSAT-3/COSMIC), w Stanach Zjednoczonych jest powszechnie określany po prostu jako COSMIC. NSPO zapewnia 80 procent z 100 milionów dolarów finansowania projektu, a UCAR i inne amerykańskie agencje zapewniają resztę [źródło: Henson ].

Być może bardziej interesujące niż nazwa COSMIC jest to, co proponuje zrobić. Jego pięcioletnia misja ma pokazać, że nie wymaga wielu zasobów, aby zapewnić rodzaj fundamentalnej nauki potrzebnej do przedefiniowania meteorologii i rozpoczęcia tworzenia archiwum dokładnych danych klimatycznych potrzebnych do ulepszenia istniejących modeli klimatycznych. To z kolei nauczy nas wiele o zmianach klimatycznych.

Ostatecznie obserwacje poczynione przez COSMIC pozwolą nam znacznie dokładniej przewidywać huragany , susze, inne poważne klęski żywiołowe, a nawet burze z piorunami.

Następnie przyjrzyjmy się różnym składnikom, które składają się na COSMIC.

1. Komponenty COSMIC
2. Nauka KOSMICZNA
3. Narzędzia kosmiczne
4. Przyszłość COSMIC

COSMIC składa się z sieci satelitów , stacji naziemnych i centrów danych.

Satelity

Wystrzelony 14 kwietnia 2006 r. na pojedynczej rakiecie Minotaur , „konstelacja” sześciu cylindrycznie ukształtowanych mikrosatelitów COSMIC potrzebowała od roku do dwóch lat, aby osiągnąć wysokość i pozycję operacyjną [źródła: witryna internetowa COSMIC , Fong ]. Każdy satelita waży około 110 funtów (70 kilogramów) i mierzy około 46 cali (116 centymetrów) szerokości i 7 cali (18 centymetrów) wysokości, a każdy z nich ma na pokładzie ten sam zestaw trzech instrumentów. Omówimy te instrumenty i to, co robią nieco później, ale ogólnie mówiąc, te satelity codziennie dokonują szczegółowych pomiarów w atmosferze.

Satelity COSMIC znajdują się na orbicie polarnej, co oznacza, że ​​podczas każdej podróży wokół planety przelatują nad obydwoma biegunami. Oddzielone 30 stopniami długości geograficznej i działające na wysokości około 500 mil (800 kilometrów) nad planetą, satelity razem są zoptymalizowane, aby jak najczęściej pokrywać całą powierzchnię Ziemi [źródło: Anthes ].

Ponieważ podejście do misji jest nowe i ogranicza się do sześciu satelitów, czasami pojawiają się problemy techniczne. W dowolnym momencie kilka satelitów boryka się z niskim poborem mocy lub innymi problemami technicznymi, które ograniczają ich funkcjonalność i liczbę obserwacji, jakie mogą wykonywać instrumenty na pokładzie. Przewidywana żywotność satelitów to pięć lat [źródło: Fong ].

Stacje naziemne

Dane przesyłane z satelitów są gromadzone przez stacje naziemne na Alasce, Wirginii, Norwegii i Antarktydzie, przy czym większość z nich pobierana jest na Alasce i w Norwegii [źródło: Hunt ]. Te stacje naziemne przekazują następnie informacje do centrów danych. Centrum Wielozadaniowe (MMC) znajdujące się na Tajwanie kontroluje ruch samych satelitów [źródło: Schreiner ].

Centra danych

Dane odbierane przez stacje naziemne są przekazywane do centrów danych na Tajwanie i w Boulder. W Stanach Zjednoczonych centrum danych nazywa się COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC), w którym 10 pracowników przetwarza i dystrybuuje dane z misji do społeczności naukowej.

Ale jakie dane są faktycznie gromadzone i jak to się robi? Następna strona wyjaśnia, co znajduje się na pokładzie każdego satelity COSMIC.

Zanim przyjrzymy się zasadom COSMIC, warto poznać kilka szczegółów na temat ziemskiej atmosfery, których większość z nas nauczyła się w szkole, ale być może zapomniała. Atmosfera nie różni się zbytnio od wielowarstwowego tortu urodzinowego, gdzie każda warstwa znajduje się na drugiej, z wyjątkiem tego, że wdychanie powietrza w atmosferze nie często powoduje ból brzucha. Ponadto linie podziału między warstwami atmosferycznymi nie są tak dobrze zdefiniowane, jak warstwy kremowego lukru czekoladowego. Najniższy poziom atmosfery to troposfera . Składa się z powietrza, którym oddychamy na co dzień i gdzie odbywa się większość wydarzeń, które kojarzą nam się z pogodą. Warstwa ta sięga od ziemi do około 10 kilometrów nad powierzchnię Ziemi.

Powyżej znajduje się stratosfera , która rozciąga się od około 6,2 do 20 mil (10 do 30 kilometrów) nad Ziemią. Początkowo uważano, że jest bardzo stabilny, ale ocieplenie lub ochłodzenie powietrza w stratosferze powoduje obecnie znaczące zmiany we wzorcach pogodowych w troposferze, co czyni ten obszar niezwykle wartościowym obiektem badań [źródło: Yalda ].

Ostatnią rzeczą, o której musimy wiedzieć, jest jonosfera , która składa się z zjonizowanych lub naładowanych cząstek w górnej atmosferze, zaczynając około 80 kilometrów nad Ziemią. Intensywne promieniowanie słoneczne na tej wysokości wybija elektrony z cząsteczek w powietrzu, elektryzując atmosferę [źródło: UCAR ]. Jeśli widziałeś zorzę polarną , widziałeś jonosferę w akcji.

Teraz, gdy mamy lepsze zrozumienie tego, na co patrzy COSMIC, przyjrzyjmy się instrumentom, których używa, aby uzyskać najlepszy widok.

Pogoda kosmiczna

Instrumenty TIP i TBB firmy COSMIC badające jonosferę dostarczają informacji niezbędnych do lepszego zrozumienia i poznania „ pogody kosmicznej ”. Pogoda kosmiczna jest tym, co dzieje się, gdy rozbłyski słoneczne uderzają w pole magnetyczne Ziemi i ładują jonosferę. Powoduje to pewne pokojowe zjawisko, takie jak wzbudzająca podziw zorza polarna, którą często można zobaczyć z dalekich północnych szerokości geograficznych Ziemi. Może jednak również powodować gwałtowne rozbłyski słoneczne, o których wiadomo, że niszczą satelity, wyłączają instrumenty elektryczne na Ziemi i potencjalnie szkodzą astronautom w kosmosie. Wiedząc jak najwięcej o jonosferze, możemy przewidywać te burze i zapobiegać lub minimalizować szkody, które one powodują.

Jednym z ciekawszych aspektów COSMIC jest sposób, w jaki wykorzystuje tradycyjne sygnały GPS , które już istnieją, do zbierania informacji o warunkach atmosferycznych z odległości około 1 kilometra nad ziemią i wyżej [źródło: Schreiner ]. Wykorzystując odbiornik radiowy (RO) , satelita wykrywa sygnał GPS, gdy zaczyna przechodzić przez ziemską atmosferę. Ponieważ satelita COSMIC dokładnie wie, gdzie naprawdę znajduje się satelita GPS, może wziąć zniekształcenia lub załamania spowodowane przez atmosferę, aby obliczyć temperaturę, ciśnienie powietrza, wilgotność, a nawet gęstość elektronów w określonym miejscu na ziemi.

Każda obserwacja wykorzystująca te dane daje w wyniku „pionowy profil” nad określonym miejscem na ziemi. Obserwacje te są wykonywane do 2500 razy dziennie, co z czasem daje szczegółowy trójwymiarowy obraz atmosfery.

Pokładowy Tiny Ionospheric Photometer (TIP) firmy COSMIC mapuje jonosferę Ziemi z większą precyzją niż było to możliwe wcześniej. Może być mały, ale umożliwia także ciągłą obserwację jonosfery w dalekim ultrafiolecie o długości 135,6 nanometra.

Podczas gdy odbiornik RO dostarcza danych o charakterze pionowym (pomiar atmosfery od podstaw do góry w trzech wymiarach), instrument TIP mapuje jonosferę w sposób poziomy lub dwuwymiarowy [źródło: Dymond ]. TIP działa tylko w nocy z powodu zakłóceń powodowanych przez słoneczne promieniowanie ultrafioletowe [źródło: Anthes ].

Również mapowanie jonosfery, ale dostarczające zarówno danych poziomych, jak i pionowych, to Tri-Band Beacon (TBB) . TBB działa, emitując sygnał bezpośrednio z satelity w kierunku stacji odbiorczych, określając w ten sposób gęstość elektronową jonosfery. Ograniczoną liczbę stacji odbiorczych utworzono wzdłuż osi północ-południe orbity polarnej w Azji Wschodniej oraz Ameryce Północnej i Południowej [źródło: Anthes ].

Pracując w połączeniu ze stacjami odbiorczymi, nad którymi przelatuje, i wykorzystując dane o gęstości elektronowej z dwóch pozostałych instrumentów na pokładzie, TBB dostarcza szczegółowy trójwymiarowy model jonosfery [źródła: Dymond , Bernhardt ].

Sześć odbiorników RO zbiera do 2500 obserwacji dziennie, gdy wszystkie satelity działają [źródło: witryna internetowa COSMIC ]. TIP i TBB stale skanują i zapewniają ciągły zasięg.

Na następnej stronie przyjrzymy się niektórym sposobom, w jakie dane zebrane przez COSMIC są obecnie wykorzystywane i jaka może być przyszłość tego programu.

Główną misją COSMIC jest udowodnienie, że za pomocą okultacji radiowej i konstelacji satelitów dostarczamy użytecznych danych o naszej atmosferze [źródło: Anthes ]. Dane z misji zostały już wykorzystane do dokładniejszego przewidywania burz tropikalnych. W 2006 roku na Oceanie Atlantyckim utworzyła się burza tropikalna Ernesto. Tradycyjne modele prognozowania pogody nie były w stanie przewidzieć powstawania burzy, ale dzięki dodaniu do modelu danych COSMIC prognozy dotyczące powstawania burzy były bardzo podobne do tych, które faktycznie zaobserwowano [źródło: Anthes ].

Być może jeszcze ważniejsze jest to, jak może pomóc nam zrozumieć zmiany klimatyczne. Jak opisaliśmy wcześniej, pomiary okultacji radiowej tworzą pionowe profile atmosfery. Ponieważ te pomiary nie opierają się na żadnej konkretnej technologii do interpretacji, są idealne do długoterminowych porównań. Z drugiej strony, trudności w oddzieleniu różnych skutków temperatury, ciśnienia i wilgotności ograniczają przydatność niektórych danych poniżej 5 mil (8 kilometrów) i powyżej 15 mil (25 kilometrów) do badań klimatycznych [źródło: Anthes ].

Zasadniczo COSMIC wychodzi z koncepcji poza etap pomysłu i pokazuje, że ta technologia może zapewnić użyteczne wyniki. UCAR organizuje coroczne warsztaty, aby umożliwić naukowcom wymianę informacji i dowiedzieć się więcej o tym, do czego można wykorzystać dane. Technologia i metoda nie są nowe, ale tak naprawdę posiadanie tego rodzaju danych na dużą skalę jest.

Dwa centra danych COSMIC są odpowiedzialne za dostarczanie (bezpłatnie) informacji międzynarodowej społeczności naukowej. W kwietniu 2010 r. było ponad 1100 użytkowników z 54 krajów [źródło: Schreiner ]. Naukowcy wykorzystują te dane do ulepszania swoich badań i uczenia się, jak dokładniej włączać tego typu informacje do swojej pracy.

Masz jakieś badania atmosferyczne, do których chciałbyś wykorzystać te dane? Rejestracja w witrynie CDAAC jest bezpłatna, ale musisz poinformować ich, w jaki sposób zamierzasz wykorzystać informacje.

COSMIC jest finansowany do 2011 roku, z możliwością kontynuacji finansowania po tym okresie [źródło: Schreiner ]. Po zakończeniu misji nie jest do końca pewne, co ją zastąpi. UCAR i NSPO mają nadzieję na uzyskanie wsparcia dla trwałego programu z dwoma do czterech razy większą liczbą satelitów robiących to samo, ale zapewniającymi znacznie pełniejszy zasięg niż jest to możliwe przy zaledwie sześciu satelitach . Jeśli te nadzieje się spełnią, prognoza pogody może stać się tak dokładna, że ​​ludzie będą musieli znaleźć coś poza lokalną prognozą, o której mogliby żartować.

Aby uzyskać więcej informacji na temat satelitów, prognozy pogody i nie tylko, odwiedź łącza na następnej stronie.

Kosmiczna oś czasu

1965 — Okultacja radiowa (RO) po raz pierwszy użyta do badania Marsa

1988 — pierwsza sugestia użycia tej metody do badania atmosfery ziemskiej

1995-1997 — MicroLab-1 zapewnia pierwszą misję RO na Ziemię

2001 -- rozpoczęcie programu FORMOSAT-3/COSMIC

2006 -- wystrzelenie satelitów COSMIC

2011 — zakończenie programu COSMIC

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków

Źródła