Na bijna twee decennia, de zon is ingesteld voor NASA's SOlar Radiation and Climate Experiment (SORCE), een missie die het 40-jarige record van het bureau voor het meten van zonnestraling en het bestuderen van de invloed ervan op het klimaat op aarde voortzette en verbeterde.

Het SORCE-team zette het ruimtevaartuig op 25 februari uit, 2020, het afsluiten van 17 jaar van het meten van het bedrag, spectrum en fluctuaties van zonne-energie die de atmosfeer van de aarde binnenkomt - essentiële informatie voor het begrijpen van het klimaat en de energiebalans van de planeet. De erfenis van de missie wordt voortgezet door de Total and Spectral Solar Irradiance Sensor (TSIS-1), gelanceerd naar het internationale ruimtestation in december 2017, en TSIS-2, die in 2023 aan boord van zijn eigen ruimtevaartuig zal lanceren.

Monitoring van de "batterij" van de aarde

De zon is de primaire energiebron van de aarde. Energie van de zon, zonnestraling genoemd, drijft het klimaat op aarde, temperatuur, het weer, atmosferische chemie, oceaan cycli, energiebalans en meer. Wetenschappers hebben nauwkeurige metingen van zonne-energie nodig om deze processen te modelleren, en de technologische vooruitgang in de instrumenten van SORCE maakte nauwkeurigere metingen van de zonnestraling mogelijk dan eerdere missies.

"Deze metingen zijn om twee redenen belangrijk, " zei Dong Wu, projectwetenschapper voor SORCE en TSIS-1 bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Klimaatwetenschappers moeten weten hoeveel de zon varieert, zodat ze weten hoeveel verandering in het klimaat op aarde te wijten is aan zonnevariatie. Ten tweede, we hebben jaren gedebatteerd, wordt de zon in de loop van honderden jaren helderder of zwakker? We leven maar een korte periode, maar een nauwkeurige trend zal erg belangrijk worden. Als je weet hoe de zon verandert en die kennis kan uitbreiden naar de toekomst, dan kun je de verwachte toekomstige zonne-input samen met andere informatie in klimaatmodellen zetten, zoals sporengasconcentraties, om in te schatten wat ons toekomstige klimaat zal zijn."

De vier instrumenten van SORCE hebben de zonnestraling op twee complementaire manieren gemeten:totaal en spectraal.

Totale zonnestraling, of TSI, is de totale hoeveelheid zonne-energie die in een bepaalde tijd de buitenste atmosfeer van de aarde bereikt. Zonnevlekken (verdonkerde gebieden op het oppervlak van de zon) en faculae (verlichte gebieden) creëren kleine TSI-variaties die zich voordoen als meetbare veranderingen in het klimaat en de systemen van de aarde. Vanuit de ruimte, SORCE en andere zonnestralingsmissies meten TSI zonder interferentie van de aardatmosfeer.

De TSI-waarden van SORCE waren iets maar significant lager dan die gemeten door eerdere missies. Dit was geen fout:de Total Irradiance Monitor was tien keer nauwkeuriger dan eerdere instrumenten. Deze verbeterde input van zonnestraling in de aardse klimaat- en weermodellen van wat eerder beschikbaar was.

"De grote verrassing met TSI was dat de gemeten hoeveelheid straling 4,6 watt per vierkante meter minder was dan verwacht, " zei Tom Woods, SORCE's hoofdonderzoeker en senior onderzoeksmedewerker bij het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica (LASP) van de Universiteit van Colorado in Boulder, Colorado. "Dat begon een hele wetenschappelijke discussie en de ontwikkeling van een nieuw kalibratielaboratorium voor TSI-instrumenten. Het bleek dat de TIM correct was, en alle eerdere bestralingsmetingen waren abusievelijk hoog."

"Het is niet vaak in klimaatstudies dat je een kwantumsprong maakt in meetvermogen, maar de tienvoudige verbetering in nauwkeurigheid door de SORCE / TIM was precies dat, " zei Greg Kopp, TIM instrumentwetenschapper voor SORCE en TSIS bij LASP.

De andere metingen van SORCE waren gericht op spectraal opgeloste zonnestraling (SSI):de variatie van zonnestraling met golflengte over het zonnespectrum, die de belangrijkste golflengtegebieden bestrijken die belangrijk zijn voor het klimaat en de samenstelling van de atmosfeer op aarde.

Naast de bekende regenboog van kleuren in zichtbaar licht, zonne-energie bevat ook kortere ultraviolette en langere infrarode golflengten, die beide een belangrijke rol spelen bij het beïnvloeden van de atmosfeer van de aarde. De atmosferische lagen en het oppervlak van de aarde absorberen verschillende golflengten van energie, bijvoorbeeld atmosferische ozon absorbeert schadelijke ultraviolette straling, terwijl atmosferische waterdamp en kooldioxide infraroodstraling met langere golflengte absorberen, die het oppervlak warm houdt. SORCE was de eerste satellietmissie die gedurende een lange periode een breed spectrum van SSI vastlegde, het volgen van golflengten van 1 tot 2400 nanometer over zijn drie SSI-instrumenten.

"Voor de volksgezondheid ozonchemie en ultraviolette straling zijn erg belangrijk, en zichtbaar licht is belangrijk voor klimaatmodellering, " zei Wu. "We moeten de zonnevariabiliteit bij verschillende golflengten kennen en deze metingen vergelijken met onze modellen."

SORCE observeerde de zon over twee zonneminima (periodes van lage zonnevlekactiviteit), het verstrekken van waardevolle informatie over variabiliteit over een relatief korte periode van 11 jaar. Maar een langer record is nodig om langetermijnvoorspellingen te verbeteren, zei Wu.

Tijd kopen voor een ouder wordende missie

SORCE is oorspronkelijk ontworpen om slechts vijf jaar gegevens te verzamelen. Het verlengen van de levensduur tot 17 vereiste creatieve en vindingrijke engineering, zei Eric Moyer, SORCE's missiedirecteur bij Goddard.

De batterij van SORCE begon te verslechteren in het achtste jaar van gebruik, niet langer voldoende stroom leveren om consistente gegevensverzameling te ondersteunen. Helaas, het NASA-instrument dat is ontworpen om zijn TSI-metingen op te nemen, Heerlijkheid, kort na de lancering in 2011 verloren ging, en het volgende instrument, het NOAA / U.S. Air Force Total Solar irradiance Calibration Transfer Experiment (TCTE), zou pas in 2013 worden gelanceerd. Als SORCE niet langer zou kunnen werken, het lopende record van zonnestraling kan worden onderbroken. Omdat de zon heel langzaam verandert - zijn zonnevlekken en faculae volgen een 11-jarige cyclus, en sommige veranderingen beslaan decennia of zelfs eeuwen - een lange, continue registratie is essentieel om te begrijpen hoe de zon zich gedraagt.

Het technische team schakelde over op zonne-gegevensverzameling overdag, het uitschakelen van de instrumenten en een deel van het ruimtevaartuig tijdens het nachtgedeelte van de SORCE-baan. Met dit plan kon de satelliet effectief werken zonder werkende batterij, Woods zei:een baanbrekende technische prestatie.

"De operationele en wetenschappelijke teams van onze partnerorganisaties hebben een volledig nieuwe manier ontwikkeld en geïmplementeerd om deze missie uit te voeren toen het leek alsof deze voorbij was vanwege het verlies van batterijcapaciteit. " zei Moyer. LASP en Northrup Grumman Space Systems leidden de ontwikkeling van nieuwe operationele software om de SORCE-missie voort te zetten. "De kleine, zeer toegewijd team volhardde en blonk uit bij het tegenkomen van operationele uitdagingen. Ik ben erg trots op hun uitstekende prestatie en vereerd dat ik de kans heb gehad om deel te nemen aan het managen van de SORCE-missie."

Een heldere erfenis voortzetten

Als SORCE's tijd in de zon eindigt, NASA's zonnestralingsrecord gaat verder met TSIS-1. De twee instrumenten van de missie meten TSI en SSI met nog geavanceerdere instrumenten die voortbouwen op de erfenis van SORCE, zei Wu. Ze hebben al vooruitgang mogelijk gemaakt, zoals het opzetten van een nieuwe referentie voor de "stille" zon toen er in 2019 geen zonnevlekken waren, en om dit te vergelijken met SORCE-waarnemingen van het vorige minimum van de zonnecyclus in 2008.

TSIS-2 staat gepland voor lancering in 2023 met identieke instrumenten als TSIS-1. Het uitkijkpunt aan boord van zijn eigen ruimtevaartuig geeft het meer flexibiliteit dan de gegevensverzameling van TSIS-1 aan boord van het ISS.

"We kijken ernaar uit om de baanbrekende wetenschap voort te zetten die is ingeluid door SORCE, en om het gegevensbestand van zonnestraling gedurende dit decennium en daarna te behouden met TSIS-1 en 2, " zei Peter Pilewskie van LASP, hoofdonderzoeker voor de TSIS-missies. "SORCE zette de standaard voor meetnauwkeurigheid en spectrale dekking, twee kenmerken van de missie die essentieel waren om inzicht te krijgen in de rol van de zon in het klimaatsysteem. TSIS heeft aanvullende verbeteringen aangebracht die de zonne-klimaatstudies verder zouden moeten verbeteren."

"Zonnestralingsmetingen zijn zeer uitdagend, en het SORCE-team stelde een andere manier voor, een nieuwe technologie, om ze te meten, "zei Wu. "Door geavanceerde technologie te gebruiken om onze wetenschappelijke capaciteiten te vergroten, SORCE is een heel goed voorbeeld van NASA's geest."