Twee nieuwe miniatuur NASA-satellieten zullen over een paar maanden de atmosfeer van de aarde doorkruisen en warmte detecteren die verloren gaat in de ruimte. Hun observaties vanuit de meest huiveringwekkende regio's van de planeet zullen helpen voorspellen hoe ons ijs, de zeeën en het weer zullen veranderen als gevolg van de opwarming van de aarde.

De kubussatellieten, of CubeSats, zijn ongeveer zo groot als een schoenendoos en omvatten een missie genaamd PREFIRE, een afkorting van Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment. Uitgerust met technologie die zich op Mars heeft bewezen, is het hun doel om voor het eerst het volledige spectrum van warmteverlies uit de poolgebieden van de aarde te onthullen, waardoor klimaatmodellen nauwkeuriger worden.

PREFIRE is gezamenlijk ontwikkeld door NASA en de Universiteit van Wisconsin-Madison, met teamleden van de universiteiten van Michigan en Colorado.

De missie begint met het energiebudget van de aarde. Bij een planetaire evenwichtsoefening zou de hoeveelheid warmte-energie die de planeet van de zon ontvangt idealiter gecompenseerd moeten worden door de hoeveelheid die vanuit het aardsysteem de ruimte in straalt. Het verschil tussen inkomende en uitgaande energie bepaalt de temperatuur op aarde en vormt ons klimaat.

De poolgebieden spelen een sleutelrol in het proces en fungeren als de radiatorvinnen van de aarde. Het roeren van lucht en water, door weers- en oceaanstromingen, verplaatst de warmte-energie die in de tropen wordt ontvangen naar de polen, waar het wordt uitgezonden als thermische infraroodstraling – hetzelfde soort energie die je voelt van een warmtelamp. Ongeveer 60% van die energie stroomt de ruimte in in ver-infraroodgolflengten die nog nooit systematisch zijn gemeten.

PREFIRE kan dat gat dichten. "We hebben het potentieel om enkele fundamentele dingen te ontdekken over hoe onze planeet werkt", zegt Brian Drouin, wetenschapper en plaatsvervangend hoofdonderzoeker voor de missie bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.

"In klimaatprojecties komt veel van de onzekerheid voort uit wat we niet weten over de Noord- en Zuidpool en hoe efficiënt straling de ruimte in wordt uitgezonden", zei hij. "Het belang van die straling werd gedurende een groot deel van het ruimtetijdperk niet gerealiseerd, maar we weten het nu en willen het meten."

Elke satelliet, die in mei met een tussenpoos van twee weken vanuit Nieuw-Zeeland wordt gelanceerd, zal een thermische infraroodspectrometer aan boord hebben. De door JPL ontworpen instrumenten omvatten speciaal gevormde spiegels en detectoren voor het splitsen en meten van infrarood licht. Soortgelijke technologie wordt gebruikt door de Mars Climate Sounder van NASA's Mars Reconnaissance Orbiter om de atmosfeer en het weer van de Rode Planeet te verkennen.

Het miniaturiseren van de instrumenten zodat ze op CubeSats passen, was een uitdaging voor het PREFIRE-engineeringteam. Ze ontwikkelden een verkleind ontwerp dat geoptimaliseerd was voor de relatief warme omstandigheden op onze eigen planeet. De instrumenten wegen minder dan 3 kilo en doen metingen met behulp van een apparaat dat een thermokoppel wordt genoemd, vergelijkbaar met de sensoren die in veel huishoudelijke thermostaten worden aangetroffen.

Grond nul voor klimaatverandering

Om de dekking te maximaliseren, zal de PREFIRE-tweeling langs verschillende paden in een baan om de aarde draaien, waarbij ze elkaar om de paar uur nabij de polen overlappen.

Sinds de jaren zeventig is het noordpoolgebied minstens drie keer sneller opgewarmd dan waar dan ook op aarde. Het zee-ijs in de winter is daar met ruim 41.200 vierkante kilometer per jaar gekrompen, een verlies van 2,6% per decennium ten opzichte van het gemiddelde van 1981-2010. Ook aan de andere kant van de planeet vindt er een verandering plaats:de ijskappen van Antarctica verliezen massa met een gemiddelde snelheid van ongeveer 150 miljard ton per jaar.

De gevolgen van deze veranderingen zijn verstrekkend. Schommelingen in het zee-ijs vormen polaire ecosystemen en beïnvloeden de temperatuur en circulatie van de oceaan. Smeltwater van kilometers dikke ijskappen op Groenland en Antarctica is verantwoordelijk voor ongeveer een derde van de stijging van het mondiale gemiddelde zeeniveau sinds 1993.

"Als je de poolgebieden verandert, verander je ook fundamenteel het weer over de hele wereld", zegt Tristan L'Ecuyer, professor aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en hoofdonderzoeker van de missie. "Extreme stormen, overstromingen, kusterosie - al deze dingen worden beïnvloed door wat er gaande is in het Noordpoolgebied en Antarctica."

Om dergelijke veranderingen te begrijpen en te projecteren, gebruiken wetenschappers klimaatmodellen die rekening houden met veel fysieke processen. Het meerdere keren uitvoeren van de modellen (elke keer onder enigszins andere omstandigheden en aannames) resulteert in een geheel van klimaatprojecties. Aannames over onzekere parameters, zoals hoe efficiënt de polen thermische straling uitzenden, kunnen de projecties aanzienlijk beïnvloeden.

PREFIRE zal nieuwe gegevens leveren over verschillende klimaatvariabelen, waaronder de atmosferische temperatuur, oppervlakte-eigenschappen, waterdamp en wolken. Uiteindelijk zal meer informatie een nauwkeuriger beeld opleveren van een wereld in beweging, aldus L'Ecuyer.

"Naarmate onze klimaatmodellen samenkomen, zullen we echt gaan begrijpen hoe de toekomst er in het Noordpoolgebied en Antarctica uit zal zien", voegde hij eraan toe.

Geleverd door NASA