Как работает COSMIC

Вы когда-нибудь задумывались, почему ваше устройство глобальной системы позиционирования (GPS) иногда помещает вас в центр здания, когда вы почти уверены, что все еще находитесь на улице или тротуаре? Обидно, да, но проблема не в точности самой сети GPS (местонахождение спутников GPS известно достаточно точно). Проблема возникает из-за искажения сигнала GPS, вызванного атмосферой вокруг вас. Температура, давление и влажность в воздухе - и даже электрические колебания в верхних слоях атмосферы - все это оказывает совокупное влияние на сигнал GPS к тому времени, когда он достигает вашего местоположения.

Превращая пороки в добродетель, COSMIC - это новаторский совместный проект Соединенных Штатов и Тайваня, который отслеживает искажения сигнала GPS и вычисляет информацию, которая может быть использована для улучшения прогнозов погоды, прогнозирования изменения климата и мониторинга меняющегося магнетизма Земли .

Используя концепцию, разработанную в 1960-х годах для миссии Mariner IV на Марс, и основанную на успехе предварительного эксперимента по проверке концепции (Global Positioning System / Meteorology, или GPS / MET) в конце 1990-х, University Corporation для Атмосферные исследования (UCAR) в Боулдере, штат Колорадо, и Тайваньская национальная космическая организация (NSPO) достигли соглашения в 2001 году о разработке более надежной экспериментальной программы. Хотя его официальное название - Formosa Satellite Mission # 3 / Система наблюдений за созвездиями для метеорологии, ионосферы и климата (FORMOSAT-3 / COSMIC), в Соединенных Штатах его обычно называют просто COSMIC. NSPO обеспечивает 80 процентов финансирования проекта в размере 100 миллионов долларов, остальное - UCAR и другие американские агентства [источник: Henson ].

Возможно, более интересным, чем название COSMIC, является то, что он предлагает делать. Его пятилетняя миссия состоит в том, чтобы показать, что не требуется много ресурсов, чтобы предоставить фундаментальную науку, необходимую для переопределения метеорологии и начать создание архива точных климатологических данных, необходимых для улучшения существующих климатических моделей. Это, в свою очередь, многому нас научит об изменении климата.

В конечном итоге наблюдения, сделанные COSMIC, могут позволить нам гораздо более точно предсказывать ураганы , засухи, другие крупные стихийные бедствия и даже грозы.

Далее давайте посмотрим на различные компоненты, из которых состоит COSMIC.

1. Компоненты COSMIC
2. Наука КОСМИЧЕСКОЙ
3. КОСМИЧЕСКИЕ Инструменты
4. Будущее COSMIC

COSMIC состоит из сети спутников , наземных станций и центров обработки данных.

Спутники

"Созвездие" из шести микроспутников COSMIC цилиндрической формы, запущенное 14 апреля 2006 года на одной ракете Minotaur , заняло от одного до двух лет, чтобы достичь рабочей высоты и положения [источники: веб-сайт COSMIC , Фонг ]. Каждый спутник весит около 110 фунтов (70 килограммов), имеет ширину 46 дюймов (116 сантиметров) и высоту 7 дюймов (18 сантиметров), и каждый из них несет на борту один и тот же набор из трех инструментов. Мы рассмотрим эти инструменты и то, что они делают чуть позже, но, вообще говоря, эти спутники ежедневно проводят подробные измерения в атмосфере.

Спутники COSMIC находятся на полярной орбите, а это означает, что во время каждого полета вокруг планеты они проходят через оба полюса. Разделенные на 30 градусов долготы и работающие на высоте около 500 миль (800 километров) над планетой, спутники вместе оптимизированы, чтобы покрывать всю поверхность Земли как можно чаще [источник: Anthes ].

Поскольку подход к миссии является новым и ограничен шестью спутниками, иногда возникают технические проблемы. В любой момент времени несколько спутников испытывают пониженное энергопотребление или другие технические проблемы, что ограничивает их функциональность и количество наблюдений, которые могут производить бортовые приборы. Предполагаемый срок службы спутников - пять лет [источник: Fong ].

Наземные станции

Данные, передаваемые со спутников, собираются наземными станциями на Аляске, Вирджинии, Норвегии и Антарктиде, причем большая часть загрузки происходит на Аляске и в Норвегии [источник: Hunt ]. Затем эти наземные станции передают информацию в центры обработки данных. Многоцелевой центр (MMC), расположенный на Тайване, контролирует движение самих спутников [источник: Шрайнер ].

Центры обработки данных

Данные, полученные наземными станциями, пересылаются в центры обработки данных на Тайване и в Боулдере. В Соединенных Штатах центр обработки данных называется Центром анализа и архивирования данных COSMIC (CDAAC), где 10 сотрудников обрабатывают и распространяют данные миссии среди научного сообщества.

Но какие данные собираются на самом деле и как это делается? На следующей странице объясняется, что находится на борту каждого спутника COSMIC.

Прежде чем мы исследуем основы COSMIC, полезно узнать некоторые подробности об атмосфере Земли, которые большинство из нас узнали в школе, но, возможно, забыли. Атмосфера не слишком отличается от многослойного праздничного торта, где каждый слой находится поверх следующего, за исключением того, что вдыхание воздуха в атмосфере не часто вызывает боль в животе. Кроме того, разделительные линии между слоями атмосферы не так четко очерчены, как слои кремово-шоколадной глазури. Самый нижний уровень атмосферы называется тропосферой . Он состоит из воздуха, которым мы дышим каждый день, и именно здесь происходит большинство событий, которые мы связываем с погодой. Этот слой простирается от земли до примерно 10 километров над поверхностью Земли.

Выше находится стратосфера , которая простирается примерно от 6,2 до 20 миль (от 10 до 30 километров) над Землей. Изначально считавшиеся очень стабильными, потепление или охлаждение воздуха в стратосфере, как теперь известно, вызывают значительные изменения в погодных условиях в тропосфере, что делает эту область чрезвычайно достойной для изучения [источник: Ялда ].

Последнее, что нам нужно знать, это ионосфера , которая состоит из ионизированных или заряженных частиц в верхних слоях атмосферы, которые начинаются примерно в 80 километрах над Землей. Интенсивное солнечное излучение на этой высоте вытесняет электроны из молекул в воздухе, электризуя атмосферу [источник: UCAR ]. Если вы видели северное сияние , вы видели ионосферу в действии.

Теперь, когда мы лучше понимаем, на что смотрит COSMIC, давайте исследуем инструменты, которые он использует, чтобы получить наилучшее изображение.

Космическая Погода

Приборы COSMIC TIP и TBB, изучающие ионосферу, предоставляют информацию, необходимую для лучшего понимания и понимания «космической погоды ». Космическая погода - это то, что происходит, когда солнечные вспышки поражают магнитное поле Земли и заряжают ионосферу. Это вызывает некое мирное явление, такое как внушающее благоговение северное сияние, которое часто можно увидеть с далеких северных широт Земли. Однако он также может вызывать сильные солнечные вспышки, которые, как известно, уничтожают спутники, выводят из строя электрические приборы на Земле и потенциально могут нанести вред космонавтам в космосе. Зная как можно больше об ионосфере, мы можем предвидеть эти штормы и предотвращать или минимизировать ущерб, который они причиняют.

Одним из наиболее интересных аспектов COSMIC является то, как он использует традиционные сигналы GPS, которые уже существуют, для сбора информации об атмосферных условиях на высоте примерно 0,6 мили (1 км) над землей и выше [источник: Шрайнер ]. Используя свой радиозатменных (RO) приемник , спутник обнаруживает сигнал GPS , как она начинает проходить через земную атмосферу. Поскольку спутник COSMIC точно знает, где на самом деле находится спутник GPS, он может учитывать искажение или преломление, вызванное атмосферой, для расчета температуры, атмосферного давления, влажности и даже плотности электронов в определенном месте на земле.

Каждое наблюдение с использованием этих данных приводит к получению «вертикального профиля» над определенным местом на земле. Эти наблюдения проводятся до 2500 раз в день, что со временем дает подробную трехмерную картину атмосферы.

Бортовой крошечный ионосферный фотометр (TIP) COSMIC отображает ионосферу Земли с большей точностью, чем это было доступно ранее. Он может быть крошечным, но он также позволяет непрерывно наблюдать за ионосферой в далеком ультрафиолетовом диапазоне 135,6 нанометров.

В то время как приемник обратного осмоса предоставляет данные вертикального характера (измерение атмосферы с земли в трехмерном пространстве), инструмент TIP отображает ионосферу в горизонтальном или двухмерном виде [источник: Dymond ]. TIP работает только ночью из-за помех, вызванных солнечным ультрафиолетовым излучением [источник: Anthes ].

Трехдиапазонный маяк (TBB) также отображает ионосферу, но предоставляет данные как по горизонтали, так и по вертикали . TBB работает, испуская сигнал прямо со спутника к приемным станциям, тем самым определяя электронную плотность ионосферы. Ограниченное количество приемных станций было установлено вдоль оси север-юг полярной орбиты в Восточной Азии, Северной и Южной Америке [источник: Anthes ].

Работая вместе с приемными станциями, над которыми он проходит, и используя данные электронной плотности от двух других бортовых приборов, TBB предоставляет подробную трехмерную модель ионосферы [источники: Dymond , Bernhardt ].

Шесть приемников обратного осмоса собирают до 2500 наблюдений в день, когда все спутники работают [источник: веб-сайт COSMIC ]. TIP и TBB постоянно сканируют и обеспечивают непрерывное покрытие.

На следующей странице мы рассмотрим некоторые способы использования данных, собранных COSMIC, сегодня, и то, каким может быть будущее этой программы.

Основная задача COSMIC - доказать, что использование радиозатменных сигналов и группировок спутников дает полезные данные о нашей атмосфере [источник: Anthes ]. Данные миссии уже используются для более точного прогнозирования тропических штормов. В 2006 году в Атлантическом океане образовался тропический шторм Эрнесто. Традиционные модели прогнозирования погоды не смогли предсказать формирование шторма, но, добавив к модели данные COSMIC, прогнозы о формировании шторма были очень похожи на то, что действительно наблюдалось [источник: Anthes ].

Возможно, даже более важно то, как это может помочь нам понять изменение климата. Как мы описали ранее, измерения радиозатмения создают вертикальные профили атмосферы. Поскольку эти измерения не зависят от какой-либо конкретной технологии для интерпретации, они идеально подходят для долгосрочного сравнения. С другой стороны, трудности с разделением различных эффектов температуры, давления и влажности ограничивают полезность некоторых данных ниже 5 миль (8 километров) и выше 15 миль (25 километров) для климатических исследований [источник: Anthes ].

По сути, COSMIC выводит концепцию за пределы стадии идеи и показывает, что эта технология может дать полезные результаты. UCAR организует ежегодный семинар, позволяющий ученым обмениваться информацией и узнавать больше о том, для чего эти данные могут быть использованы. Технология и метод не новы, но на самом деле наличие такого рода данных в широком масштабе - это новость.

Два центра обработки данных COSMIC несут ответственность за предоставление информации (бесплатно) международному научному сообществу. По состоянию на апрель 2010 года насчитывалось более 1100 пользователей из 54 стран [источник: Schreiner ]. Ученые используют эти данные, чтобы улучшить свои исследования и узнать, как более точно использовать этот тип информации в своей работе.

У вас есть какие-то атмосферные исследования, для которых вы хотели бы использовать данные? Регистрация на веб-сайте CDAAC бесплатна, хотя вам нужно будет сообщить им, как вы собираетесь использовать эту информацию.

COSMIC финансируется до 2011 года, с возможностью продолжения финансирования после этого [источник: Schreiner ]. Когда миссия завершится, еще не совсем понятно, что ее заменит. И UCAR, и NSPO надеются заручиться поддержкой устойчивой программы, в которой в два-четыре раза больше спутников делают то же самое, но обеспечивают гораздо более полное покрытие, чем это возможно при использовании всего шести спутников . Если эти надежды оправдаются, прогнозы погоды могут стать настолько точными, что людям, возможно, просто придется найти что-то, кроме местного прогноза, чтобы пошутить.

Для получения дополнительной информации о спутниках, прогнозе погоды и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.

КОСМИЧЕСКАЯ Хронология

1965 - Radio Occultation (RO) впервые использовалось для изучения Марса.

1988 - Первое предложение использовать этот метод для изучения атмосферы Земли.

1995-1997 - MicroLab-1 выполняет первый полет на Землю с помощью обратного осмоса.

2001 - Начало программы FORMOSAT-3 / COSMIC

2006 г. - запущены спутники COSMIC.

2011 - завершение программы COSMIC

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок

Источники