8 спутников размером с портфель могут помочь в прогнозе скорости ветра урагана. Цикл NASA - циклонная глобальная навигационная спутниковая система (CYGNSS), была запущена в 2016 году, чтобы показать, могут ли те же сигналы GPS, которые используются телефонами для навигации, использоваться для измерения ветра в глубине урагана или тайфуна.
Модели прогнозирования погоды стали намного лучше в прогнозировании будущего пути урагана или тайфуна, но они не прогнозируют максимальную скорости ветра - интенсивность. Многие спутники не могут видеть сквозь густые облака и дождь.
Главный исследователь CYGNSS Кристофер Руф объяснил:
«Чтобы предсказать интенсивность, нужно измерять скорость ветра прямо в середине шторма, и до CYGNSS не было никакого способа сделать это.
Новые данные CYGNSS оказались отличным совпадением с данными об урагане Хантер, собранными в то же время во время ураганов 2017 года, Марии, Ирмы и Хосе. Восемь малых спутников, вращающихся по орбите с промежутком в 12 минут между каждым, собрали больше данных о каждом шторме, чем можно было собрать во время полета ураганного охотника.
Как видеть сквозь дождь и облака?
Чтобы увидеть, что находится в атмосфере, многие спутники посылают электромагнитные сигналы с длинами волн, составляющими всего лишь доли дюйма в длину. Для этих коротковолновых сигналов капля дождя, пылинка или любая другая находящаяся в воздухе частица является непроницаемым препятствием. Хотя длина волны длиннее, чем у этих крошечных частиц, они достаточно близки по размеру, чтобы сигналы отскакивали от таких частиц, как бильярдный шар, сталкивающийся с другим шаром.
Другими словами, короткие волны позволяют исследователям видеть шторм, но не видеть сквозь него.
CYGNSS использует сигналы GPS. Их длина волны составляет 7,5 дюймов в длину, что намного больше, чем короткие волны, используемые большинством спутниковых приборов, или любые капли дождя, когда-либо измеренные, что позволяет видеть сквозь ураган.
Когда спутник GPS пролетает над тропическим циклоном, его сигналы беспрепятственно проходят сквозь шторм и отражаются от поверхности океана. На нижней орбите приемники CYGNSS, ориентированные вниз, способны перехватывать сигналы, возвращающиеся вверх. Искажения в этих отраженных сигналах показывают, насколько бурным является море, что позволяет исследователям рассчитать скорость ветра, вызвавшую неровности.
Превращение сигналов в измерения
Спутники CYGNSS хорошо работали с момента запуска, но ученые миссии столкнулись с серьезным препятствием на пути обработки сигналов GPS в данные о скорости ветра. При разработке миссии ученые предполагали, что сигналы GPS передаются с постоянной силой. Но когда ученые начали собирать данные, они обнаружили, что мощность сигнала от большинства спутников GPS изменяется на каждой орбите и что степень изменения отличается от спутника к спутнику.
Как только команда CYGNSS нашла проблему, нашли и решение. Каждый спутник имеет не только основной приемник GPS для сбора сигналов, отражающихся от поверхности Земли, но также и дополнительный приемник для определения местоположения и слежения. Команда перепрограммировала приемники, чтобы измерить силу широковещательного сигнала, что дало им информацию, необходимую для правильной обработки сигналов, возвращающихся снизу.
Экспериментируя с исследовательской версией той же модели ураганов, которую Национальная администрация по океану и атмосфере использует для прогнозов, ученые добавили данные CYGNSS для реконструкции двух из известных штормов 2017 года, ураганов Харви и Ирма. Это позволило получить более реалистичные прогнозы не только интенсивности штормов, но и их следов и структуры. Другие исследования показали аналогичные улучшения в прогнозах различных штормов.
Неожиданный водянистый бонус
Команда CYGNSS планировала регулярно отключать свои приемники, когда спутники летают над Землей, но команда решила упростить свои операции, заставляя спутники постоянно собирать данные. Два аспиранта из Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене решили взглянуть на данные с суши.
Поскольку бывшие студенты, Клара Чу (Университетская корпорация атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо) и Уго Каррено-Луенго (Барселона, Испания), задокументировали ценность этих данных, NASA официально расширило сферу деятельности миссии и пригласило команду учёных, чтобы переопределить цели миссии. Могут быть и другие предложения, ожидающие обсуждения в рамках этой миссии, поскольку восемь небольших спутников CYGNSS продолжают наблюдать скрытые ветры в тропических штормах до сих пор.