Van radarinstrumenten kleiner dan een schoenendoos tot radiometers ter grootte van een melkpak:er zijn tegenwoordig meer hulpmiddelen beschikbaar voor wetenschappers voor het observeren van complexe aardsystemen dan ooit tevoren. Maar deze overvloed aan beschikbare sensoren creëert zijn eigen unieke uitdaging:hoe kunnen onderzoekers deze diverse instrumenten op de meest efficiënte manier organiseren voor veldcampagnes en wetenschappelijke missies?

Om onderzoekers te helpen de waarde van wetenschappelijke missies te maximaliseren, hebben Bart Forman, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan de Universiteit van Maryland, en een team van onderzoekers van het Stevens Institute of Technology en het Goddard Space Flight Center van NASA een prototype gemaakt van een observatiesysteemsimulatie-experiment. (OSSE) voor het ontwerpen van wetenschappelijke missies gericht op het monitoren van zoetwateropslag op land.

"Je hebt verschillende soorten sensoren. Je hebt radars, je hebt radiometers, je hebt lidars - elk meet verschillende componenten van het elektromagnetische spectrum", zegt Bart Forman, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan de Universiteit van Maryland. "Verschillende observaties hebben verschillende sterke punten."

Terrestrische zoetwateropslag beschrijft de geïntegreerde som van zoet water verspreid over de sneeuw van de aarde, bodemvocht, vegetatiedak, opstuwingen van oppervlaktewater en grondwater. Het is een dynamisch systeem dat de traditionele, statische systemen van wetenschappelijke observatie tart.

Forman's project bouwt voort op eerdere technologische vooruitgang die hij boekte tijdens een eerder Earth Science Technology Office (ESTO)-project, waarin hij een simulatie-experiment voor observatiesystemen ontwikkelde voor het in kaart brengen van terrestrische sneeuw.

Het leunt ook sterk op innovaties die zijn ontwikkeld door NASA's Land Information System (LIS) en NASA's Trade-space Analysis Tool for Designing Constellations (TAT-C), twee modelleringstools die begonnen als ESTO-investeringen en al snel een belangrijk onderdeel werden binnen de aardwetenschappelijke gemeenschap.

De tool van Forman integreert deze modelleringsprogramma's in een nieuw systeem dat onderzoekers een aanpasbaar platform biedt voor het plannen van dynamische observatiemissies die een gevarieerde verzameling gegevenssets in de ruimte omvatten.

Bovendien bevat de tool van Forman ook een tool voor het schatten van de kosten van dollars naar de wetenschap, waarmee onderzoekers de financiële risico's kunnen inschatten die aan een voorgestelde missie zijn verbonden.

Samen bieden al deze functies wetenschappers de mogelijkheid om observaties, data-assimilatie, onzekerheidsschatting en fysieke modellen te koppelen binnen één enkel, geïntegreerd raamwerk.

"We namen een landoppervlakmodel en probeerden dit samen te voegen met verschillende ruimtegebaseerde metingen van sneeuw, bodemvocht en grondwater om te zien of er een optimale combinatie was om ons het meeste waar voor ons wetenschappelijke geld te geven", legt Forman uit.

Hoewel de tool van Forman niet het eerste informatiesysteem is dat zich toelegt op het ontwerpen van wetenschappelijke missies, bevat het wel een aantal nieuwe functies. Met name het vermogen om waarnemingen van passieve optische radiometers in de ruimte, passieve microgolfradiometers en radarbronnen te integreren, markeert een aanzienlijke technologische vooruitgang.

Forman legde uit dat hoewel deze indirecte waarnemingen van zoetwater waardevolle informatie bevatten voor het kwantificeren van zoetwater, ze ook elk hun eigen unieke foutkenmerken bevatten die zorgvuldig moeten worden geïntegreerd met een landoppervlakmodel om schattingen te geven van geofysische variabelen waar wetenschappers het meest om geven. /P>

De software van Forman combineert ook LIS en TAT-C binnen één softwareframework, waardoor de mogelijkheden van beide systemen worden uitgebreid om superieure beschrijvingen van de mondiale terrestrische hydrologie te creëren.

Forman benadrukte inderdaad het belang van een groot, divers team met experts uit de aardwetenschappen- en modelleringsgemeenschappen.

“Het is leuk om deel uit te maken van een groot team, want dit zijn grote problemen en ik weet zelf de antwoorden niet. Ik moet veel mensen vinden die veel meer weten dan ik, en ze zover krijgen dat ze erin springen. en stropen hun mouwen op en helpen ons. En dat deden ze", aldus Forman.

Nadat ze een simulatie-experiment voor een observatiesysteem hebben opgezet dat dynamische, vanuit de ruimte gestationeerde observaties kan integreren in missieplanningsmodellen, hopen Forman en zijn team dat toekomstige onderzoekers zullen voortbouwen op hun werk om een ​​nog beter missiemodelleringsprogramma te creëren.

Terwijl Forman en zijn team zich bijvoorbeeld concentreerden op het genereren van missieplannen voor bestaande sensoren, zou een uitgebreide versie van hun software onderzoekers kunnen helpen bepalen hoe ze toekomstige sensoren kunnen gebruiken om nieuwe gegevens te verzamelen.

"Met het soort dingen dat TAT-C kan doen, kunnen we hypothetische sensoren maken. Wat als we de zwadbreedte verdubbelen? Als het twee keer zoveel ruimte zou kunnen zien, geeft dat ons dan meer informatie? Tegelijkertijd kunnen we vragen stellen over de impact van verschillende foutkenmerken voor elk van deze hypothetische sensoren en onderzoek de bijbehorende afweging", aldus Forman.

Geleverd door NASA