NASA, alt atmosferi incelemek için teknoloji geliştiriyor

Atmosferin gezegene en yakın kısmı, üzerindeki gazların hacmi nedeniyle uzaydan ölçülmesi en zor olanıdır. Dünya’nın gezegensel sınır tabakasını veya PBL’yi incelemek, bilim adamlarının Dünya yüzeyi ile hava arasındaki etkileşimi ve bunun küresel, değişen bir iklimde nasıl geliştiğini daha iyi anlamalarını sağlayacaktır.

NASA Araştırmacısı Dr. Antonia Gambacorta, “Gezegensel sınır tabakası, yaşadığımız ve hava durumunu deneyimlediğimiz yerdir” dedi. “Yer temelli birçok ölçümle çok ayrıntılı olarak incelendi, ancak okyanuslar ve kutup bölgeleri gibi çok fazla yer tabanlı enstrümana sahip olmadığımız gibi büyük boşluklar var. Uzaydan araştırma ve ölçme kabiliyetine sahip olmak. sınır tabakası, bu tabaka ile atmosferimizin geri kalanı arasındaki bağlantıları küresel bazda incelemek için önemlidir.”

PBL sıcaklığının ve uzaydan gelen su buharının doğru, gerçek zamanlı ölçümü, hızla değişen aşırı olayların daha doğru tahmin edilmesini sağlayarak ekonomiye önemli faydalar sağlar.

NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde yer bilimleri araştırmacısı olan Gambacorta, “Uzaydan, yol boyunca emilip yeniden yayıldıkça zayıflayan bir sinyali ölçmeye çalışıyorsunuz” dedi. “Ayrıca yüzeyden ve bulutlardan gelen parazit gürültünüz var.”

Bilim adamlarının Dünya’nın yüzeyini ve atmosferini küresel ölçekte incelemek için kullandıkları “sinyal”, gözlerimizin görebildiği görünür ışığın ötesine geçerek elektromanyetik spektrumun kızılötesi ve mikrodalga frekanslarını içerir.

Işıkların kızılötesi dalga boyları, bulutları oluşturan sıvı damlacıkları ve buz parçacıkları tarafından emilir. Bununla birlikte, aynı bulutlar mikrodalga ışığına kısmen saydamdır. Ek olarak, mikrodalga spektrumunun farklı bölümleri, PBL’nin hava durumunu etkileyebilecek farklı özellikleri hakkında bilgi sağlar: su buharı, bulutlar ve sıcaklık.

Bununla birlikte, mevcut uzay kaynaklı mikrodalga sensörleri ve hatta planlanmış cihazlar, mikrodalga spektrumu içinde yalnızca birkaç düzine kanalı algılar. Bu, özellikle sınır katmanından gelen verilerin dikey çözünürlüğünü ve doğruluğunu sınırlar.

Hiperspektral mikrodalga ölçümleri, spektrumun mikrodalga bölgesini yüzlerce hatta binlerce ayrı frekansa böler. Gambacorta, bu frekansları yakalamanın ve yorumlamanın, bu önemli katmanın küresel bir perspektiften mümkün olduğunca net bir görünümünü sağlayacağını söyledi.

NASA Planetary Boundary Layer Incubation’a en çok katkıda bulunanlardan biri olan NASA araştırmacısı Dr. Joseph Santanello, hiperspektral mikrodalga ölçümlerinin dünya çapındaki meteoroloji ve uzay ajansları tarafından iklim ve hava tahminini iyileştirmek için yörüngeden veri toplanmasını iyileştirmek için uzun süredir savunulduğunu söyledi. Çalışma Ekibi raporu ve bu projenin ortak araştırmacısı. Rapor, geleceğin küresel PBL gözlem sisteminin temel bir bileşeni olarak hiperspektral mikrodalga sensörlerini listeliyor.

İki ön yaklaşım

Bilim adamları ve meteorologların yanı sıra NOAA ve EPA gibi büyük veri kullanıcıları için anlamlı bilgiler ve görselleştirmeler sağlamak için Gambacorta ekibinin iki büyük teknik engeli çözmesi gerekiyor.

Öncelikle mikrodalga frekanslarını optik sinyallere dönüştürerek mevcut radyo frekansı sinyal işlemcilerinin boyut, ağırlık ve güç gereksinimlerini önemli ölçüde azaltmaları gerekir. Goddard’ın Araştırma Mühendisliği Ortaklığı’ndan bir mühendis olan Dr. Mark Stephen, bu sinyallerin çoklu fotonik entegre devreler (PIC’ler) tarafından işleneceğini söyledi.

Stephen, “Bir PIC’deki optik işlemenin çalışması gerektiğini göstermek için bilgisayar modellerimiz ve bir ön devre tahtası sistemimiz var,” dedi. “Radyo frekansını bir optik sinyale ve tekrar radyoya dönüştürebilirsek, sinyaldeki bilgi içeriğini bozmadan cihazın boyut ağırlığını, gücünü ve maliyetini azaltabileceğimizi gösterebiliriz.”

Bu tasarruflar, her biri farklı bir bant genişliği grubunu işleyen bu PIC’lerin çoğunu entegre etmelerini sağlayacaktır. Sonuç, Dünya’nın tam mikrodalga radyasyon spektrumunu ölçebilen türünün ilk hiperspektral mikrodalga fotonik cihazı (HyMPI) olacak. Bu araç, Goddard’ın Dahili Araştırma ve Geliştirme veya IRAD programından sağlanan üç yıllık finansmanla olgunlaştı. Şimdi Yer Bilimi Teknoloji Ofisi daha fazla geliştirme kaynağı sağlıyor.

İkinci engel, bu sensörlerin yakalayabileceği büyük miktarda veriyi bilim adamlarının ve meteorologların anlayabileceği bir şekilde işlemek. Gambacorta, başka bir IRAD hibesinin yardımıyla veri işleme yazılımı çabasını ilerletmek için çalışıyor.

Gambacorta, “Hiperspektral mikrodalga sondajının simüle edilmiş açık gökyüzü koşullarında nasıl performans gösterdiğini zaten anladık.” Dedi. “Bu yıl, bulutların hiperspektral mikrodalga ölçümlerini nasıl etkilediğini modelliyoruz. Bu uzaktan sondaj yeteneği, sınır tabakasının yapısı ve davranışı hakkında küresel bir bakış açısı elde edilmesine yardımcı olacak.”