Cách hoạt động của COSMIC

Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao thiết bị Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) của bạn đôi khi đặt bạn ở giữa một tòa nhà, khi bạn khá chắc chắn rằng mình vẫn đang ở trên phố hoặc vỉa hè? Thật thất vọng, có, nhưng vấn đề không nằm ở độ chính xác của chính mạng GPS (vị trí của các vệ tinh GPS được biết khá chính xác). Vấn đề đến từ sự biến dạng trong tín hiệu GPS do bầu không khí xung quanh bạn gây ra. Nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong không khí - và thậm chí cả các biến thể điện trong tầng cao của bầu khí quyển - tất cả đều có tác động tích lũy đến tín hiệu GPS vào thời điểm nó đến vị trí của bạn.

Quay ngược vào đức hạnh, COSMIC là một dự án hợp tác đột phá của Hoa Kỳ và Đài Loan mà nghe sự biến dạng trong thông tin tín hiệu GPS và tính toán có thể được sử dụng để cải thiện dự báo thời tiết, dự đoán biến đổi khí hậu và giám sát của Trái đất thay đổi từ tính .

Sử dụng một khái niệm được phát triển vào những năm 1960 cho sứ mệnh Mariner IV tới Sao Hỏa và dựa trên sự thành công của một thí nghiệm chứng minh khái niệm sơ bộ (Hệ thống Định vị Toàn cầu / Khí tượng học, hoặc GPS / MET) vào cuối những năm 1990, University Corporation cho Nghiên cứu Khí quyển (UCAR) ở Boulder, Colo., Và Tổ chức Không gian Quốc gia Đài Loan (NSPO) đã đạt được thỏa thuận vào năm 2001 để phát triển một chương trình thử nghiệm mạnh mẽ hơn. Mặc dù chức danh chính thức của nó là Sứ mệnh vệ tinh Formosa # 3 / Hệ thống quan sát chòm sao về Khí tượng, Tầng điện ly và Khí hậu (FORMOSAT-3 / COSMIC), ở Hoa Kỳ nó thường được gọi đơn giản là COSMIC. NSPO đang cung cấp 80% trong số 100 triệu đô la tài trợ cho dự án, UCAR và các cơ quan khác của Mỹ cung cấp phần còn lại [nguồn: Henson ].

Có lẽ thú vị hơn tên của COSMIC là những gì nó đang đề xuất làm. Sứ mệnh kéo dài 5 năm của nó là chứng tỏ rằng không cần nhiều nguồn lực để cung cấp loại khoa học cơ bản cần thiết để xác định lại khí tượng và bắt đầu xây dựng kho lưu trữ dữ liệu khí hậu chính xác cần thiết để cải thiện các mô hình khí hậu hiện có. Điều này sẽ dạy chúng ta rất nhiều về biến đổi khí hậu.

Cuối cùng, các quan sát do COSMIC thực hiện có thể cho phép chúng ta dự đoán bão , hạn hán, các thảm họa thiên nhiên lớn khác và thậm chí cả giông bão chính xác hơn nhiều.

Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét các thành phần khác nhau tạo nên COSMIC.

1. Thành phần COSMIC
2. Khoa học về COSMIC
3. Công cụ COSMIC
4. Tương lai của COSMIC

COSMIC bao gồm một mạng lưới các vệ tinh , trạm mặt đất và trung tâm dữ liệu.

Vệ tinh

Được phóng vào ngày 14 tháng 4 năm 2006 trên một tên lửa Minotaur , "chòm sao" gồm sáu vi tế bào COSMIC hình trụ mất từ ​​một đến hai năm để đạt được độ cao và vị trí hoạt động [nguồn: Trang web COSMIC , Fong ]. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 110 pound (70 kg) và có chiều rộng khoảng 46 inch (116 cm) và cao 7 inch (18 cm), và mỗi vệ tinh mang cùng một bộ ba dụng cụ trên tàu. Chúng tôi sẽ đề cập đến những công cụ đó và những gì chúng thực hiện sau một chút, nhưng nói chung, những vệ tinh này thực hiện các phép đo chi tiết trên bầu khí quyển mỗi ngày.

Các vệ tinh COSMIC nằm trong quỹ đạo địa cực, nghĩa là trong mỗi chuyến đi quanh hành tinh, chúng đi qua cả hai cực. Separated by 30 degrees of longitude and operating at about 500 miles (800 kilometers) above the planet, the satellites together are optimized to cover the entire surface of the Earth as often as possible [source: Anthes ].

Do cách tiếp cận sứ mệnh còn mới và chỉ giới hạn ở sáu vệ tinh nên đôi khi phát sinh các vấn đề kỹ thuật. Tại bất kỳ thời điểm nào, một số vệ tinh gặp vấn đề về công suất thấp hoặc các vấn đề kỹ thuật khác, hạn chế chức năng của chúng và số lượng quan sát mà các thiết bị trên tàu có thể thực hiện. Tuổi thọ dự kiến ​​của vệ tinh là 5 năm [nguồn: Fong ].

Trạm mặt đất

Dữ liệu truyền từ vệ tinh được thu thập bởi các trạm mặt đất ở Alaska, Virginia, Na Uy và Nam Cực, với phần lớn việc tải xuống diễn ra ở Alaska và Na Uy [nguồn: Hunt ]. Các trạm mặt đất này sau đó chuyển tiếp thông tin đến các trung tâm dữ liệu. Trung tâm Đa nhiệm vụ (MMC) đặt tại Đài Loan tự kiểm soát chuyển động của các vệ tinh [nguồn: Schreiner ].

Các trung tâm dữ liệu

Dữ liệu do các trạm mặt đất nhận được sẽ được chuyển tiếp đến các trung tâm dữ liệu ở Đài Loan và Boulder. Tại Hoa Kỳ, trung tâm dữ liệu được gọi là Trung tâm Lưu trữ và Phân tích Dữ liệu COSMIC (CDAAC), nơi có 10 nhân viên xử lý và phân phối dữ liệu sứ mệnh cho cộng đồng khoa học.

Nhưng dữ liệu nào thực sự được thu thập, và điều này được thực hiện như thế nào? Trang tiếp theo giải thích những gì trên mỗi vệ tinh COSMIC.

Trước khi chúng ta khám phá các đai ốc và bu lông của COSMIC, sẽ giúp chúng ta biết một vài chi tiết về bầu khí quyển của Trái đất mà hầu hết chúng ta đã học ở trường nhưng có thể đã quên. Bầu không khí không quá khác biệt so với một chiếc bánh sinh nhật nhiều lớp, với mỗi lớp nằm trên cùng, ngoại trừ việc hít thở không khí trong bầu không khí thường xuyên sẽ khiến bạn đau bụng. Ngoài ra, các đường phân chia giữa các lớp khí quyển gần như không được xác định rõ ràng như các lớp phủ sô cô la kem. Tầng thấp nhất của khí quyển được gọi là tầng đối lưu . Nó bao gồm không khí mà chúng ta hít thở hàng ngày và là nơi diễn ra hầu hết các sự kiện chúng ta liên quan đến thời tiết. This layer goes from the ground up to around 6.2 miles (10 kilometers) above the Earth's surface.

Above that sits the stratosphere , which stretches from approximately 6.2 to 20 miles (10 to 30 kilometers) above the Earth. Ban đầu được cho là rất ổn định, sự nóng lên hoặc làm mát không khí ở tầng bình lưu hiện được biết là nguyên nhân gây ra những thay đổi đáng kể về các kiểu thời tiết trong tầng đối lưu, khiến khu vực này trở thành một đối tượng cực kỳ đáng để nghiên cứu [nguồn: Yalda ].

The last thing we need to know about is the ionosphere , which consists of the ionized, or charged, particles in the upper atmosphere starting around 50 miles (80 kilometers) above the Earth. Bức xạ mặt trời cường độ cao ở độ cao này tách các electron khỏi các phân tử trong không khí, làm nhiễm điện khí quyển [nguồn: UCAR ]. Nếu bạn đã nhìn thấy cực quang borealis , bạn đã thấy tầng điện ly đang hoạt động.

Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về những gì COSMIC đang xem xét, hãy cùng khám phá các công cụ mà nó sử dụng để có cái nhìn tốt nhất.

Thời tiết không gian

Các công cụ TIP và TBB của COSMIC nghiên cứu tầng điện ly cung cấp loại thông tin quan trọng để hiểu rõ hơn và kiến ​​thức về " thời tiết không gian ". Thời tiết không gian là những gì xảy ra khi các tia sáng mặt trời tấn công từ trường của Trái đất và tích điện vào tầng điện ly. Điều này gây ra một số hiện tượng hòa bình, chẳng hạn như cực quang borealis đáng kinh ngạc, thường có thể được nhìn thấy từ các vĩ độ cực bắc của Trái đất. Tuy nhiên, nó cũng có thể gây ra các tia sáng mặt trời dữ dội, được biết đến là có thể phá hủy các vệ tinh, vô hiệu hóa các thiết bị điện trên Trái đất và có khả năng gây hại cho các phi hành gia trong không gian. Biết càng nhiều càng tốt về tầng điện ly có thể giúp chúng ta dự đoán những cơn bão này và ngăn ngừa hoặc giảm thiểu thiệt hại mà chúng gây ra.

One of the more interesting aspects of COSMIC is the way it uses traditional GPS signals that already exist to gather information on atmospheric conditions from around 0.6 miles (1 kilometer) above the ground and higher [source: Schreiner ]. Sử dụng bộ thu sóng vô tuyến (RO) , vệ tinh phát hiện tín hiệu GPS khi nó bắt đầu đi qua bầu khí quyển của Trái đất . Vì vệ tinh COSMIC biết chính xác vị trí thực sự của vệ tinh GPS, nó có thể lấy sự biến dạng hoặc khúc xạ do khí quyển gây ra để tính toán nhiệt độ, áp suất không khí, độ ẩm và thậm chí cả mật độ electron trên một điểm cụ thể trên mặt đất.

Mỗi quan sát sử dụng dữ liệu này dẫn đến một "mặt cắt thẳng đứng" trên một điểm cụ thể trên mặt đất. Những quan sát này được thực hiện tới 2.500 lần mỗi ngày, theo thời gian tạo ra một bức tranh ba chiều chi tiết về bầu khí quyển.

Máy đo quang điện ly (TIP) trên bo mạch của COSMIC đang lập bản đồ tầng điện ly của Trái đất với độ chính xác cao hơn so với trước đây. Nó có thể rất nhỏ, nhưng nó cũng cho phép quan sát liên tục tầng điện ly ở bước sóng cực tím xa 135,6 nanomet.

Trong khi bộ thu RO đang cung cấp dữ liệu có tính chất thẳng đứng (đo bầu khí quyển từ mặt đất lên theo chiều ba chiều), thiết bị TIP đang lập bản đồ tầng điện ly theo phương ngang hoặc hai chiều [nguồn: Dymond ]. TIP chỉ hoạt động vào ban đêm do bị nhiễu bởi bức xạ tia cực tím mặt trời [nguồn: Anthes ].

Cũng lập bản đồ tầng điện ly, nhưng cung cấp cả dữ liệu ngang và dọc, là Tri-Band Beacon (TBB) . TBB hoạt động bằng cách phát ra tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh về phía các trạm thu, từ đó xác định mật độ electron của tầng điện ly. Một số lượng hạn chế các trạm thu đã được thiết lập dọc theo trục bắc nam của quỹ đạo địa cực ở Đông Á và Bắc và Nam Mỹ [nguồn: Anthes ].

Hoạt động cùng với các trạm thu mà nó đi qua và sử dụng dữ liệu mật độ điện tử từ hai thiết bị khác trên tàu, TBB cung cấp mô hình 3-D chi tiết của tầng điện ly [nguồn: Dymond , Bernhardt ].

Sáu máy thu RO thu thập tới 2.500 quan sát mỗi ngày khi tất cả các vệ tinh đang hoạt động [nguồn: Trang web COSMIC ]. TIP và TBB đang quét liên tục và cung cấp vùng phủ sóng liên tục.

Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số cách thức sử dụng dữ liệu do COSMIC thu thập ngày nay và tương lai của chương trình này có thể ra sao.

Nhiệm vụ chính của COSMIC là chứng minh rằng việc sử dụng bí ẩn vô tuyến và các chòm sao của vệ tinh cung cấp dữ liệu hữu ích về bầu khí quyển của chúng ta [nguồn: Anthes ]. Hiện tại, dữ liệu từ sứ mệnh đã được sử dụng để dự đoán các cơn bão nhiệt đới chính xác hơn. Năm 2006, cơn bão nhiệt đới Ernesto hình thành ở Đại Tây Dương. Các mô hình dự báo thời tiết truyền thống không dự đoán được sự hình thành của cơn bão, nhưng bằng cách thêm dữ liệu COSMIC vào mô hình, dự đoán về sự hình thành của cơn bão rất giống với những gì thực sự quan sát được [nguồn: Anthes ].

Có lẽ điều quan trọng hơn nữa là nó có thể giúp chúng ta hiểu về biến đổi khí hậu như thế nào. Như chúng tôi đã mô tả trước đó, các phép đo huyền bí vô tuyến tạo ra các mặt cắt thẳng đứng của bầu khí quyển. Bởi vì các phép đo này không dựa vào bất kỳ công nghệ cụ thể nào để giải thích, chúng là lý tưởng để so sánh lâu dài. On the down side, difficulties separating the different effects of temperature, pressure and humidity limit the usefulness of some of the data below 5 miles (8 kilometers) and above 15 miles (25 kilometers) for climate research [source: Anthes ].

Về cơ bản, COSMIC đang đưa một khái niệm vượt ra ngoài giai đoạn ý tưởng và cho thấy rằng công nghệ này có thể mang lại những kết quả hữu ích. UCAR tổ chức hội thảo hàng năm để cho phép các nhà khoa học chia sẻ thông tin và tìm hiểu thêm về những dữ liệu có thể được sử dụng để làm gì. Công nghệ và phương pháp không phải là mới, nhưng thực sự có sẵn loại dữ liệu này trên quy mô lớn.

Hai trung tâm dữ liệu của COSMIC có nhiệm vụ cung cấp thông tin (miễn phí) cho cộng đồng khoa học quốc tế. Tính đến tháng 4 năm 2010, đã có hơn 1.100 người dùng từ 54 quốc gia [nguồn: Schreiner ]. Các nhà khoa học sử dụng dữ liệu này để cải thiện nghiên cứu của họ và học cách kết hợp loại thông tin này vào công việc của họ một cách chính xác hơn.

Bạn có một số nghiên cứu về khí quyển mà bạn muốn sử dụng dữ liệu không? Đăng ký miễn phí trên trang Web CDAAC, mặc dù bạn sẽ phải cho họ biết bạn sẽ sử dụng thông tin như thế nào.

COSMIC được tài trợ đến hết năm 2011, với khả năng tiếp tục tài trợ sau đó [nguồn: Schreiner ]. Khi nhiệm vụ kết thúc, không hoàn toàn chắc chắn cái gì, nếu có, sẽ thay thế nó. UCAR và NSPO đều hy vọng nhận được sự hỗ trợ cho một chương trình bền vững với số lượng vệ tinh làm việc tương tự gấp hai đến bốn lần, nhưng cung cấp phạm vi phủ sóng đầy đủ hơn nhiều so với khả năng chỉ có sáu vệ tinh . Nếu những hy vọng này thành hiện thực, dự đoán thời tiết có thể trở nên chính xác đến mức mọi người có thể phải tìm thứ gì đó ngoài dự báo địa phương để nói đùa.

Để biết thêm thông tin về vệ tinh, dự đoán thời tiết và hơn thế nữa, hãy truy cập các liên kết trên trang tiếp theo.

Dòng thời gian COSMIC

1965 - Radio Occultation (RO) lần đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu sao Hỏa

1988 - Đề xuất đầu tiên sử dụng phương pháp này để nghiên cứu bầu khí quyển của Trái đất

1995-1997 - MicroLab-1 cung cấp sứ mệnh RO đầu tiên đến Trái đất

2001 - Chương trình FORMOSAT-3 / COSMIC bắt đầu

2006 - Vệ tinh COSMIC được phóng lên

2011 - Chương trình COSMIC kết thúc

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

Nguồn