Nauwkeurige weersvoorspellingen redden levens. NASA's Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) instrument, 15 jaar geleden op deze datum gelanceerd op NASA's Aqua-satelliet, de nauwkeurigheid van weersvoorspellingen binnen een paar jaar aanzienlijk verbeterd door buitengewone driedimensionale wolkenkaarten te bieden, luchttemperatuur en waterdamp in de weermakende laag van de atmosfeer. Vijftien jaar later, AIRS blijft een waardevolle aanwinst voor voorspellers over de hele wereld, het verzenden van 7 miljard waarnemingen die elke dag naar voorspellingscentra worden gestreamd.

Naast het bijdragen aan betere prognoses, AIRS brengt broeikasgassen in kaart, volgt vulkanische emissies en rook van bosbranden, meet schadelijke stoffen zoals ammoniak, en geeft regio's aan die mogelijk op weg zijn naar een droogte. Heb je je afgevraagd hoe het ozongat boven Antarctica aan het genezen is? Dat merkt AIRS ook.

Deze voordelen komen omdat AIRS veel meer golflengten van infraroodstraling in de atmosfeer ziet, en maakt enorm veel meer waarnemingen per dag, dan de waarnemingssystemen die voorheen beschikbaar waren. Voordat AIRS werd gelanceerd, weerballonnen leverden de belangrijkste weerwaarnemingen. Eerdere infraroodsatellietinstrumenten werden waargenomen met behulp van ongeveer twee dozijn brede "kanalen" die gemiddeld vele golflengten bij elkaar brachten. Dit verminderde hun vermogen om belangrijke verticale structuren te detecteren. Traditionele weerballonnen produceren slechts een paar duizend peilingen (atmosferische verticale profielen) van temperatuur en waterdamp per dag, bijna geheel over land. AIRS neemt 100 keer meer golflengten waar dan de eerdere instrumenten en produceert bijna 3 miljoen peilingen per dag, die 85 procent van de wereld bestrijken.

AIRS merkt op 2, 378 golflengten van warmtestraling in de lucht onder de satelliet. "Door meer golflengten te hebben, kunnen we een fijnere verticale structuur krijgen, en dat geeft ons een veel scherper beeld van de atmosfeer, " verklaarde AIRS-projectwetenschapper Eric Fetzer van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. Het weer komt voor in de troposfeer, 7 tot 12 mijl hoog (11 tot 19 kilometer). De meeste infraroodstraling die door AIRS wordt waargenomen, is ook afkomstig uit de troposfeer.

AIRS werd al snel algemeen erkend als een grote vooruitgang. Slechts drie jaar na de lancering, Conrad Lautenbacher, voormalig beheerder van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), zei dat AIRS zorgde voor "de meest significante toename van de voorspellingsverbetering [in onze tijd] van een enkel instrument."

In het begin

AIRS was het geesteskind van NASA-wetenschapper Moustafa Chahine. In de jaren 1960, Chahine en collega's kwamen voor het eerst op het idee om de weersvoorspelling te verbeteren door een hyperspectraal instrument te gebruiken - een instrument dat infrarode en zichtbare straling in honderden of duizenden golflengtebanden breekt. Hij vloog al in de jaren 70 met enkele experimentele prototypes, maar AIRS kwam pas tot bloei toen de vooruitgang in miniaturisatie het mogelijk maakte om een ​​instrument te bouwen met de benodigde capaciteit die niet te zwaar en omvangrijk was om te lanceren. keten, die stierf in 2011, werd de eerste leider van het AIRS Science Team.

Het instrument is gebouwd door BAE Systems, nu gevestigd in Nashua, New Hampshire, onder leiding van JPL. Het is een van de zes instrumenten die op de Aqua-satelliet in de satellietconstellatie A-Train vliegen. Met een geplande levensduur van vijf jaar, het gaat nog steeds goed op 15 en zal naar verwachting duren tot Aqua in 2022 zonder brandstof komt te zitten.

De waarde van AIRS voor weersvoorspellingen werd in verschillende experimenten gekwantificeerd door voorspellingscentra over de hele wereld. Vooral, het European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) heeft de impact op voorspellingen van verschillende waarnemingssystemen in detail onderzocht. "ECMWF-onderzoeken hebben aangetoond dat in veel omstandigheden, AIRS is verantwoordelijk voor het verminderen van prognosefouten met meer dan 10 procent. Dit is de grootste voorspelde verbetering van een enkel satellietinstrument uit de jaren 2000, " zei Joao Teixeira van JPL, de leider van het AIRS Science-team.

Meer zien dan het weer

Wetenschappers wisten altijd dat de metingen van AIRS meer informatie bevatten dan meteorologen nodig hebben voor weersvoorspellingen. De spectrale golflengten die het ziet, omvatten delen van het elektromagnetische spectrum die belangrijk zijn voor het bestuderen van het klimaat. Kooldioxide en andere atmosferische sporengassen laten hun handtekeningen achter in de metingen. Chahine merkte later op, "De informatie is allemaal aanwezig in de spectra. We moesten alleen uitzoeken hoe we het konden extraheren."

Halverwege de jaren 2000, het AIRS-projectteam ging die uitdaging aan. In 2008, onder leiding van Chahine, ze publiceerden de allereerste wereldwijde satellietkaarten van koolstofdioxide in het midden van de troposfeer. Deze metingen toonden voor het eerst aan dat het belangrijkste door de mens geproduceerde broeikasgas niet gelijkmatig door de mondiale atmosfeer was gemengd, zoals onderzoekers hadden gedacht, maar varieerde met maar liefst 1 procent (2 tot 4 moleculen koolstofdioxide op elke miljoen moleculen van de atmosfeer).

Vanaf dat moment, er is steeds meer informatie uit de AIRS-spectra gehaald. Het team produceert nu ook datasets voor methaan, koolmonoxide, ozon, zwaveldioxide en stof, een belangrijke invloed op hoeveel straling de aarde bereikt van de zon en hoeveel er van de aarde naar de ruimte ontsnapt. Onderzoekers hebben deze nieuwe datasets gebruikt, en ook de originele AIRS-temperatuur, cloud- en waterdatasets, voor veel ontdekkingen. Om een ​​paar recente bevindingen te noemen:

• Een onderzoek uit 2015 toonde aan dat AIRS-metingen van relatieve vochtigheid nabij het aardoppervlak veelbelovend zijn in het detecteren van het begin van droogte bijna twee maanden eerder dan andere indicatoren.
• In 2013, onderzoekers gebruikten het gegevensrecord van AIRS om 18 wereldwijde hotspots voor atmosferische zwaartekrachtgolven te vinden - op en neergaande rimpelingen die zich in de atmosfeer kunnen vormen boven iets dat de luchtstroom verstoort, zoals een onweersbui opwaartse stroming of een bergketen. Dit nieuwe record van waar en wanneer verstoringen regelmatig zwaartekrachtgolven veroorzaken, is waardevol voor het verbeteren van weers- en klimaatvoorspellingen.
• Door de opwarming van de aarde neemt de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer toe, wat op zijn beurt de atmosfeer nog verder opwarmt. Dit soort zelfvoedingsproces wordt een positieve feedbacklus genoemd. Klimaatwetenschappers hadden lang getheoretiseerd dat deze feedback de opwarming door toename van koolstofdioxide zou kunnen verdubbelen. Dankzij de temperatuur- en vochtigheidsgegevens van AIRS konden ze deze hypothese voor het eerst bevestigen.

De erfenis van AIRS

Door het daverend succes, AIRS is niet langer uniek. "De missie heeft een meetbenadering aangetoond die in de nabije toekomst door operationele agentschappen zal worden gebruikt, " zei AIRS-projectmanager Tom Pagano van JPL. Al, er zijn drie andere hyperspectrale sirenes in een baan om de aarde:de Cross-track Infrared Sounder (CrIS) op het NASA/NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi-NPP), en twee Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI)-instrumenten op de Metop-A- en -B-satellieten van EUMETSAT. Extra sirenes zijn gepland voor lancering in de jaren 2030.

Samen, deze hyperspectrale instrumenten zullen een record creëren van zeer nauwkeurige metingen van onze atmosfeer die vele decennia lang zullen duren. Dat zal nog een voordeel toevoegen aan de erfenis van AIRS:het potentieel voor een beter begrip van het klimaat van vandaag en de toekomst.