Acht satellieten ter grootte van een koffertje die achter elkaar vliegen, kunnen de sleutel zijn tot het verbeteren van de voorspellingen van de windsnelheid van een orkaan - om te detecteren of het aan land zal komen als een categorie 1 of een categorie 5. NASA's Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) vloot, gelanceerd in 2016, is ontworpen om te laten zien of dezelfde GPS-signalen die uw telefoon gebruikt voor navigatie, kunnen worden gebruikt om winden diep in een orkaan of tyfoon te meten. Het antwoord lijkt een volmondig ja te zijn.

Weersvoorspellingsmodellen zijn veel beter geworden in het voorspellen van het toekomstige spoor van een orkaan of tyfoon, maar ze zijn niet verbeterd in het voorspellen van de maximale windsnelheid, die wetenschappers intensiteit noemen. Dat komt omdat deze tropische reuzen worden aangestuurd door krachten van buitenaf, zoals regionale winden, maar hun intensiteit hangt af van de krachten binnen elke storm. En hoewel veel satellieten de externe wind kunnen zien, ze kunnen niet door de dikke wolken en regen van een orkaan kijken.

CYGNSS hoofdonderzoeker Christopher Ruf van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor legde uit:"Om de intensiteit te voorspellen, je moet de windsnelheid meten midden in de storm en, tot CYGNSS, er is geen andere manier geweest om het te doen dan met Hurricane Hunter-vliegtuigen te vliegen."

De nieuwe CYGNSS-gegevens bleken een uitstekende match te zijn met Hurricane Hunter-gegevens die op hetzelfde moment werden verzameld tijdens de orkanen van 2017, Maria, Irma en José. De acht kleine satellieten - die in een baan om de aarde cirkelden met slechts 12 minuten tussenruimte - verzamelden meer gegevens over elke storm dan tijdens een orkaanjager-vlucht kon worden verzameld.

Door regen en wolken heen kijken

Om te zien wat er in de atmosfeer is, veel aardobservatiesatellieten zenden elektromagnetische signalen uit met golflengten die slechts een fractie van een centimeter lang zijn. Aan deze kortegolflengtesignalen, een drupje motregen, stofdeeltjes of andere deeltjes in de lucht vormen een ondoordringbaar obstakel. Ook al zijn de golflengten langer dan deze kleine deeltjes, ze zijn zo dichtbij dat signalen weerkaatsen tegen deeltjes zoals een biljartbal die tegen een andere bal botst. Door deze verstrooide signalen te "lezen", onderzoekers kunnen de vorm en locatie onderscheiden van wolken en andere obstakels waar de signalen tegenaan liepen.

Met andere woorden, korte golflengten laten onderzoekers een storm zien, maar er niet doorheen kijken.

CYGNSS, anderzijds, maakt gebruik van GPS-signalen. Hun golflengte is 19 centimeter lang - veel langer dan de korte golflengten die de meeste satellietinstrumenten gebruiken of welke regendruppel dan ook die ooit is gemeten. Op die golflengte, Ruf zei, "Je ziet helemaal geen regendruppel. Je gaat er gewoon doorheen." Daardoor kan CYGNSS door een orkaan heen kijken en de wind aan het oceaanoppervlak meten.

GPS-satellieten, geëxploiteerd door de Amerikaanse luchtmacht, bevinden zich in een veel hogere baan dan de CYGNSS-vloot. Terwijl een GPS-satelliet over een tropische cycloon vliegt, zijn signalen gaan ongehinderd door de storm en kaatsen terug op het oceaanoppervlak. In hun lagere baan, De naar beneden gerichte GPS-ontvangers van CYGNSS kunnen signalen opvangen die naar boven terugkeren. Vervormingen in deze teruggekaatste signalen laten zien hoe ruw de zee is, waardoor onderzoekers de windsnelheid konden berekenen die de ruwheid veroorzaakte.

Signalen omzetten in metingen

De acht kleine satellieten van CYGNSS hebben goed gewerkt sinds de lancering, maar de wetenschappers van de missie kwamen een grote hindernis tegen op het pad om de GPS-signalen te verwerken in windsnelheidsgegevens. Bij het ontwerpen van de missie wetenschappers gingen ervan uit dat GPS-signalen met een constante sterkte worden uitgezonden. Maar toen de wetenschappers gegevens begonnen te verzamelen, ze ontdekten dat het signaalvermogen van de meeste GPS-satellieten tijdens elke baan verandert en dat de mate van verandering verschilt van satelliet tot satelliet. Deze variaties gooiden de metingen van harde wind door de CYGNSS-satellieten met maar liefst 18 mph (18 km/u) uit de hand.

"We hebben een jaar of langer aan het probleem gewerkt, en we hebben het eindelijk door, " zei Ruf. "Kortom, de luchtmacht zet de stroom hoger wanneer ze over bepaalde delen van de wereld gaan waar slechteriken de signalen proberen te blokkeren." Sterkere signalen zijn moeilijker te blokkeren.

Zodra het CYGNSS-team het probleem begreep, ze hebben een oplossing gevonden. Elke CYGNSS-satelliet heeft niet alleen een primaire GPS-ontvanger om signalen te verzamelen die vanaf het aardoppervlak omhoog kaatsen, maar ook een secundaire kleinere ontvanger voor locatie en tracking. Het team herprogrammeerde de kleinere ontvangers om de sterkte te meten van het uitzendsignaal dat van bovenaf komt, die hen de informatie gaf die ze nodig hadden om de signalen die van beneden kwamen correct te verwerken.

Met dat probleem opgelost, de onderzoekers zouden zich kunnen wenden tot de taak om te beoordelen hoe CYGNSS-gegevens de orkaanvoorspellingen zouden beïnvloeden.

Experimenteren met een onderzoeksversie van hetzelfde orkaanmodel dat de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) gebruikt voor voorspellingen, de wetenschappers hebben CYGNSS-gegevens toegevoegd aan reconstructies van twee van de opmerkelijke stormen van 2017, orkanen Harvey en Irma. De toevoeging van CYGNSS-gegevens leverde meer realistische voorspellingen op, niet alleen van de intensiteit van de stormen, maar van hun sporen en structuur. Andere studies hebben vergelijkbare verbeteringen aangetoond in de voorspellingen van verschillende stormen.

Een onverwachte waterige bonus

Tot Rufs verbazing CYGNSS heeft bewezen een onvoorziene toepassing te hebben. Het CYGNSS-team was van plan om hun ontvangers routinematig uit te schakelen wanneer de satellieten over land vliegen, maar het team besloot hun operaties te vereenvoudigen door de satellieten voortdurend gegevens te laten verzamelen. Twee postdoctorale studenten aan het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Pasadena, Californië, besloten om de gegevens van over land te bekijken. "Het was echt zoveel geluk als wat dan ook, maar het blijkt dat je allerlei leuke wetenschap kunt doen met de landgegevens om bodemvocht en overstromingen te meten, ' zei Ruf.

Zoals de oud-studenten Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research in Boulder, Colorado) en Hugo Carreno-Luengo (Barcelona, Spanje), de waarde van de gegevens hebben gedocumenteerd, NASA heeft nu officieel de reikwijdte van de missie uitgebreid en het wetenschappelijke team uitgenodigd om de missiedoelen opnieuw te definiëren. Er kunnen andere toepassingen wachten om ontdekt te worden, aangezien de acht kleine CYGNSS-satellieten de verborgen winden in tropische stormen blijven volgen.