Het was halverwege de middag, maar het was donker in een gebied in Boulder, Colorado op 3 augustus 1998. Een dikke wolk verscheen boven ons en verduisterde het land eronder gedurende meer dan 30 minuten. Goed gekalibreerde radiometers toonden aan dat er zeer weinig licht de grond bereikte, laag genoeg dat onderzoekers besloten deze interessante gebeurtenis te simuleren met computermodellen. Nu in 2017, geïnspireerd door het evenement in Boulder, NASA-wetenschappers zullen de zonsverduistering van de maan verkennen om meer te weten te komen over het energiesysteem van de aarde.

Op 21 augustus 2017, wetenschappers kijken naar de totale zonsverduistering van dit jaar die door Amerika gaat om onze modelleringscapaciteiten van de energie van de aarde te verbeteren. Guoyong Wen, een NASA-wetenschapper die werkt voor Morgan State University in Baltimore, leidt een team om gegevens van de grond en satellieten te verzamelen voordat, tijdens en na de zonsverduistering, zodat ze de zonsverduistering van dit jaar kunnen simuleren met behulp van een geavanceerd computermodel, een 3D stralingsoverdrachtsmodel genoemd. Indien succesvol, Wen en zijn team zullen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe berekeningen die onze schattingen van de hoeveelheid zonne-energie die de grond bereikt, verbeteren. en ons begrip van een van de belangrijkste spelers in het reguleren van het energiesysteem van de aarde, wolken.

Het energiesysteem van de aarde is constant in een dans om een ​​evenwicht te bewaren tussen inkomende straling van de zon en uitgaande straling van de aarde naar de ruimte, die wetenschappers het energiebudget van de aarde noemen. De rol van wolken, zowel dik als dun, is belangrijk in hun effect op de energiebalans.

Als een gigantische wolk, de maan tijdens de totale zonsverduistering van 2017 zal een grote schaduw werpen over een deel van de Verenigde Staten. Wen en zijn team kennen de afmetingen en lichtblokkerende eigenschappen van de maan al, maar zal grond- en ruimte-instrumenten gebruiken om te leren hoe deze grote schaduw de hoeveelheid zonlicht beïnvloedt die het aardoppervlak bereikt, vooral rond de randen van de schaduw.

"Dit is de eerste keer dat we metingen vanaf de grond en vanuit de ruimte kunnen gebruiken om de schaduw van de maan te simuleren die over het aardoppervlak in de Verenigde Staten gaat en de energie te berekenen die de aarde bereikt, " zei Wen. Wetenschappers hebben eerder uitgebreide atmosferische metingen gedaan tijdens verduisteringen, maar dit is de eerste gelegenheid om gecoördineerde gegevens te verzamelen van de grond en van een ruimtevaartuig dat de hele zonverlichte aarde observeert tijdens een zonsverduistering, dankzij het Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) van de National Oceanic and Atmospheric Administration dat in februari 2015 werd gelanceerd.

Hoewel de maan die de zon blokkeert tijdens een zonsverduistering en wolken die het zonlicht naar het aardoppervlak blokkeren, twee verschillende fenomenen zijn, beide vereisen vergelijkbare wiskundige berekeningen om hun effecten nauwkeurig te begrijpen. Wen verwacht dat dit experiment de huidige modelberekeningen en onze kennis van wolken zal helpen verbeteren, specifiek dikker, laaggelegen wolken die op elk moment ongeveer 30 procent van de planeet kunnen bedekken.

In dit experiment, Wen en zijn team zullen de totale zonsverduistering simuleren in een 3D stralingsoverdrachtsmodel, die wetenschappers helpt te begrijpen hoe energie zich op aarde voortplant. Momenteel, modellen hebben de neiging om wolken in één dimensie weer te geven. Vaak, deze eendimensionale berekeningen kunnen nuttige wetenschappelijke modellen creëren om de atmosfeer te begrijpen. Soms echter, een driedimensionale berekening is nodig om nauwkeurigere resultaten te verkrijgen. Het grote verschil is dat 3D-wolken zonne-energie in vele richtingen reflecteren of verstrooien, van boven naar beneden, en ook uit de zijkanten van wolken. Dit 3D-gedrag resulteert in verschillende hoeveelheden energie die de grond bereiken dan een eendimensionaal model zou kunnen voorspellen.

"We testen de mogelijkheid om een ​​bepaald soort complexe berekening uit te voeren, een test van een 3D wiskundige techniek, om te zien of dit een verbetering is ten opzichte van de vorige techniek, " zei Jay Herman, wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en mede-onderzoeker van het project. “Als dit lukt, dan hebben we een beter hulpmiddel om in klimaatmodellen te implementeren en kunnen we het gebruiken om vragen en het energiebudget en het klimaat van de aarde te beantwoorden." Voor de komende zonsverduistering, Wen en zijn teamleden worden gestationeerd in Casper, Wyoming, en Colombia, Missouri om informatie te verzamelen over de hoeveelheid energie die eerder van en naar de aarde werd verzonden, tijdens en direct na de zonsverduistering met verschillende grondinstrumenten.

Een grondgebonden, Het door NASA ontwikkelde Pandora Spectrometer Instrument zal informatie geven over hoeveel van een bepaalde golflengte van licht aanwezig is, en een pyranometer zal de totale zonne-energie meten vanuit alle richtingen die naar het oppervlak komen. Direct voor en na de zonsverduistering zullen wetenschappers andere informatie meten, zoals de hoeveelheid absorberende sporengassen in de atmosfeer, zoals ozon, stikstofdioxide en kleine aerosoldeeltjes om ook in het 3D-model te gebruiken.

Ondertussen in de ruimte, NASA's aarde polychromatische beeldcamera, of EPIC, instrument aan boord van het DSCOVR-ruimtevaartuig, zal het licht observeren dat de aarde verlaat en wetenschappers in staat stellen in te schatten hoeveel licht het aardoppervlak bereikt. Aanvullend, NASA's twee MODIS-satellietinstrumenten, aan boord van de Terra- en Aqua-satellieten van het bureau, gelanceerd in 1999 en 2002, respectievelijk, zal soms voor en na de zonsverduistering waarnemingen geven van atmosferische en oppervlaktecondities. De wetenschappers zullen dan grondmetingen combineren met die van het ruimtevaartuig.

Dit experiment vormt een aanvulling op NASA's decennialange toewijding aan het observeren en begrijpen van bijdragen aan het energiebudget van de aarde. Al meer dan 30 jaar, NASA heeft de hoeveelheid zonne-energie gemeten en berekend die de top van onze atmosfeer bereikt, de hoeveelheid energie van de zon die wordt teruggekaatst naar de ruimte en hoeveel thermische energie door onze planeet wordt uitgestraald naar de ruimte. Deze metingen zijn mogelijk gemaakt dankzij instrumenten en missies zoals ACRIMSAT en SOLSTICE (gelanceerd in 1991), en SORCE, gelanceerd in 2003, evenals de reeks CERES-instrumenten die aan boord van Terra werden gevlogen, water, en Suomi-NPP (gelanceerd in 2011).

Deze herfst, NASA zal de relatie tussen zon en aarde blijven volgen door de Total and Spectral Solar Irradiance Sensor-1 te lanceren, of TSIS-1, naar het internationale ruimtestation en de zesde wolken en het CERES-instrument van het stralingsenergiesysteem van de aarde, CERES FM6, later dit jaar in een baan om de aarde. Vijf CERES-instrumenten bevinden zich momenteel in een baan om de aarde aan boord van drie satellieten.