NASA's volgende poging om onzichtbare stippen in de atmosfeer in kaart te brengen die van invloed zijn op klimaatverandering en luchtkwaliteit, begon vanaf een stoel bij het raam boven de Stille Oceaan.

Vanderlei Martins, een professor aan de Universiteit van Maryland Baltimore County, vloog een paar jaar geleden over de Stille Oceaan toen hij uit het raam keek en besloot de helderwitte wolken die voorbij dreven te fotograferen. In een opwelling, hij haalde een polarisator tevoorschijn, vergelijkbaar met een zonnebrillens, en draaide voor zijn camera terwijl hij foto's maakte. Het resultaat? "Ik zag regenbogen in de wolken, ’ zei Martinus.

Dit dynamische beeld van wolken leidde tot een idee voor een kleine satelliet die op 2 november zal worden gelanceerd vanuit NASA's Wallops Flight Facility op Wallops Island, Virginia, naar het internationale ruimtestation. Van daaruit zal het worden vrijgegeven in een baan om de aarde.

Deze door NASA gefinancierde CubeSat zal essentiële informatie verzamelen over wolken en aerosolen, kleine deeltjes in de atmosfeer die kunnen fungeren als kernen waarop wolkendruppels en ijsdeeltjes worden gevormd. Deze metingen zullen ons helpen beter te begrijpen hoe aerosoldeeltjes het weer beïnvloeden, klimaat en luchtkwaliteit.

De Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat is ongeveer zo groot als een stevig brood. Het zal de eerste poging zijn om een ​​polarimeter te plaatsen, die de polarisatie van licht meet, aan boord van een CubeSat. HARP zou de weg kunnen effenen voor toekomstige NASA-missies met een constellatie van kleine satellieten die naar wolken en aerosolen turen, zei Martinus. NASA's Earth Science Technology Office financiert HARP onder het In-Space Validation of Earth Science Technologies-programma. Martin in de hoofdonderzoeker van de missie.

"HARP, als de eerste multi-angle wide field-of-view cloud-aerosol CubeSat-missie, is een goed voorbeeld van hoe een creatief en innovatief team nieuwe technologieën kan ontwikkelen voor atmosferische wetenschappelijke observaties, " zei Charles Norton, speciaal adviseur voor kleine ruimtevaartuigmissies op het NASA-hoofdkwartier in Washington.

Bewolkt met kans op regenbogen

Natuurlijk geproduceerde spuitbussen, als vulkanische rook, woestijnstof en zeenevel, en door mensen gemaakte aerosolen, zoals rook van landopruimingsbranden en sulfaat van brandende kolen en olie, kan onzichtbaar zijn voor het menselijk oog, maar hun aanwezigheid kan een waas werpen en felrode zonsondergangen creëren. Spuitbussen kunnen bijdragen aan een slechte luchtkwaliteit en een impact hebben op de menselijke gezondheid door astma en bronchitis te veroorzaken, evenals ernstigere aandoeningen van de luchtwegen.

Aërosolen kunnen ook de energiebalans van de aarde veranderen door zonlicht terug de ruimte in te reflecteren en wolkendeeltjes te veranderen. die ook zonlicht weerkaatsen en absorberen. Hoe meer licht een aerosol reflecteert, hoe meer het de atmosfeer afkoelt; hoe meer licht het absorbeert, hoe meer het de atmosfeer verwarmt. Over het algemeen, hogere concentraties aerosoldeeltjes leiden tot meer, maar kleiner, wolkendruppels die ervoor zorgen dat een wolk helderder wordt en ervoor zorgt dat deze geen regen produceert. Deze heldere, langdurige wolken kunnen meer zonlicht weerkaatsen en het systeem van de aarde afkoelen.

Eenmaal in een baan, HARP filtert licht in vier golflengten en roteert dat licht naar drie polarisatiehoeken, met behulp van zijn prisma. Net zoals gepolariseerde zonnebrillen helpen om fel licht te blokkeren zodat je kunt zien wanneer het zonnig is, HARP kan bepaalde golflengten blokkeren en observaties doen vanuit vele hoeken. Dit onthult anders verborgen eigenschappen van wolken en aerosolen, zoals de hoeveelheid en het type aerosolen in de atmosfeer, evenals de grootte van waterdruppels of ijsdeeltjes in wolken. "Elke keer als HARP over een regio vliegt, we zien die regio vanuit meerdere perspectieven, ’ zei Martinus.

Het zal ook in staat zijn om te bepalen hoeveel licht wordt verstrooid door aerosoldeeltjes, zei Henrique Barbosa, een professor en wetenschapper aan de Universiteit van São Paulo in São Paulo, Brazilië. "HARP zal veel meer informatie kunnen geven over de microfysische eigenschappen van aerosolen dan voorheen beschikbaar was, " zei Barbosa, die met Martins samenwerkt aan HARP en andere projecten.

Echter, het team zal strategisch moeten bepalen wanneer HARP gegevens zal verzamelen, omdat het een CubeSat is met beperkte kracht en datamogelijkheden, zei Barbosa. Bijvoorbeeld, als HARP eenmaal in een baan om de aarde is, hij zou graag hebben dat het gegevens over de Amazone verzamelt om meer te weten te komen over de impact van de aanhoudende bosbranden in het Braziliaanse Amazonewoud, die veel groter en intenser waren dan in voorgaande jaren.

Rook van de Amazonebranden omvat roet en spuitbussen, die allemaal van invloed kunnen zijn op het weer en het klimaat. Aërosolen van het verbranden van biomassa om land vrij te maken zijn kleiner dan natuurlijke aërosolen. Met HARP, wetenschappers konden bepalen of wolken kleinere, door vervuiling aangedreven druppeltjes, of groter, natuurlijk afgeleide druppeltjes. De gegevens van HARP kunnen ook worden gecombineerd met waarnemingen en experimenten op de grond om die resultaten beter te extrapoleren en aërosolprocessen in een groter gebied aan het licht te brengen. zei Barbosa.

De drie HARP's

Martins is misschien begonnen met het idee voor HARP als CubeSat, maar voordat de kleine satelliet kon lanceren, het had twee broers en zussen:AirHARP en HARP2.

AirHARP gebruikte dezelfde polarimetertechnologie als HARP, maar vloog in 2017 aan boord van twee vliegtuigen in plaats van een satelliet. AirHARP maakte deel uit van de Lake Michigan Ozone Measurements-campagne, waarbij een NASA UC12-vliegtuig betrokken was, en de NASA Aerosol Characterization van Polarimeter en Lidar-campagne, die aërosol- en wolkenmetingen boven de VS verkreeg van het ER-2-vliegtuig op grote hoogte van NASA.

"We waren in staat om te simuleren wat HARP zou doen vanuit de ruimte, " zei Barbosa over de vluchten van AirHARP. De luchtversie hielp Barbosa en Martins bij het ontwikkelen van procedures en algoritmen die uiteindelijk zullen helpen bij het downloaden en verwerken van HARP's gegevens.

Echter, in tegenstelling tot AirHARP, die zich op een vaste vliegroute bevond, HARP kan niet eenmaal in de ruimte worden bestuurd. "Zodra de CubeSat het ruimtestation verlaat, zijn koers is wat het ook zal zijn, en dat is het, " zei Barbosa. Zodra wetenschappers op de grond contact maken met de in een baan om de aarde draaiende HARP, ze kunnen zijn baan voorspellen en aan- en uitzetten wanneer ze een meting over een bepaald gebied willen doen, maar ze kunnen zijn koers niet veranderen.

HARP2, anderzijds, zal een veel krachtigere versie van HARP zijn. HARP2 zal vliegen met NASA's Plankton, Aërosol, Wolk, oceaan Ecosysteem (PACE) missie, die momenteel in ontwikkeling is en van plan is om NASA's meer dan 20-jarige record van satellietobservaties van de wereldwijde oceaanbiologie te verbeteren, aërosolen en wolken. Aangezien PACE een veel groter ruimtevaartuig is met meer krachtmogelijkheden en een veel groter team erachter, HARP2 zal altijd kunnen werken en aanzienlijk meer wetenschappelijke gegevens kunnen verzamelen dan HARP.

"De HARP CubeSat heeft een perfecte timing, Martins zei. "Als we het eenmaal lanceren en er gegevens van krijgen, we zullen die gegevens gebruiken om ons voor te bereiden op HARP2, " hij ging verder.

De kleine CubeSat die eindelijk kon

Hoewel Martins al plannen heeft voor de volgende iteratie van HARP, de eerste gebeurde bijna niet.

"Ik wil zoveel mogelijk wetenschap krijgen, "Maarten zei, maar zoveel data verzamelen met een CubeSat is een uitdaging. "HARP is de meest technologie-dichte CubeSat met drie eenheden die we ooit hebben geprobeerd, " zei Tim Neilsen, de HARP-programmamanager bij Space Dynamics Laboratory (SDL) in Logan, Utah. Martins bouwde de instrumenten en SDL bouwde de CubeSat.

Naarmate de lancering van HARP nadert, en nieuwe mogelijkheden om aërosolen te zien en te bestuderen naderen, Martins is opgewonden, maar een beetje nerveus. "Als het eenmaal is gelanceerd, je kunt het niet meer aanraken, ’ zei Martinus.