In plaats van naar de lucht te kijken voor heldere uitbarstingen van vurige kleuren, een onderzoeksteam besteedde 4 juli 2018 aan het kijken naar vurige klodders gesmolten lava vanuit een parachutespringend vliegtuig. Aan hun vliegtuig was een nieuw NASA-instrument vastgemaakt dat was ontworpen om elke keer dat de vulkaan ademde, te detecteren, terwijl de caldera opzwol en leegliep.

Het team vloog van 3 tot 5 juli meerdere vluchten boven de vulkaan Kīlauea in het Hawaii Volcanoes National Park. 2018, om aan te tonen hoe een nieuw instrument de weg zou kunnen effenen voor een toekomstige constellatie van kleine satellieten die zich toeleggen op het monitoren van de effecten van vulkanische activiteit, aardbevingen en veranderingen in landoppervlakken, zei Lauren Wye, de hoofdonderzoeker die de ontwikkeling van het instrument leidde en onlangs afrondde bij SRI International in Menlo Park, Californië.

Een globale kaart met gedetailleerde landhoogteveranderingen in de loop van de tijd kan wetenschappers helpen grondbewegingen te lokaliseren voordat, tijdens en na aardbevingen en vulkaanuitbarstingen, en helpen bij het identificeren van effecten van overstromingen en grondwaterpompen. "De CubeSat-beeldradar voor aardwetenschappen, of CIRES, kan besluitvormers en rampenmanagers helpen om sneller na een gevaarlijke gebeurtenis observaties te krijgen, zodat ze beter voorbereid zijn op rampenbestrijding, ' zei Wy.

Hoewel de uitbarsting van de Kīlauea meer dan 80 vierkante kilometer land trof, grondvervorming, of een verandering in de hoogte van het land, niet altijd waarneembaar voor het menselijk oog. Zeer gespecialiseerde technologie zoals het nieuwe instrument van Wye kan deze veranderingen lokaliseren en vastleggen.

CIRES is uitgerust met een S-band Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). De S-bandradar kan door vegetatie heen dringen en de grond bereiken. CIRES maakt twee radarbeelden van een bepaald gebied vanaf ongeveer dezelfde positie in de ruimte op twee verschillende tijdstippen en verwerkt de twee beelden om het verschil daartussen te bepalen.

De Nationale Academies van Wetenschappen, Decadal Survey 2017 van Engineering and Medicine, "Gedijen op onze veranderende planeet:een decennialange strategie voor aardobservaties vanuit de ruimte, " beveelt NASA aan om InSAR-metingen te gebruiken om de dynamiek van aardbevingen aan te pakken, vulkanen, aardverschuivingen, gletsjers, grondwater en het binnenste van de aarde.

Een constellatie van kleine InSAR-satellieten zou kunnen samenwerken met de NASA-ISRO SAR Mission (NISAR), dat is NASA's eerste speciale InSAR-satelliet die momenteel in ontwikkeling is. Meerdere kleine satellieten kunnen frequente gegevens verzamelen over snel evoluerende processen, zoals vulkaanuitbarstingen, aardbevingen en aardverschuivingen, toevoeging aan de systematische wereldwijde gegevens van NISAR.

Er was eens een radar

traditioneel, onderzoekers volgen grondvervormingen met sensoren op de grond en het Global Positioning System (GPS). InSAR-metingen zijn een aanvulling op grondmetingen en kunnen vaak als leidraad dienen voor de installatie van grondsensoren. "InSAR-gegevens hebben een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we naar aardbevingen en vulkanen kijken, "Kyle Anderson, een geofysicus bij de U.S. Geological Survey, zei.

in een baan, een reeks kleine InSAR-satellieten zou naar beneden kunnen kijken en veranderingen in grondvervorming kunnen registreren. "Vulkanen blazen zich vaak op met magma voordat ze uitbarsten, Anderson werkte samen met het CIRES-team in Kīlauea. "Hoewel het moeilijk te voorspellen is hoe groot of hoe lang de uitbarsting zal zijn, we kunnen zeggen, deze vulkaan begon op te blazen en er is een grotere kans dat hij uitbarst."

Het CIRES-project begon in januari 2015 bij SRI International met financiering van NASA's Earth Science Technology Office om de radarelektronica-hardware van het instrument in twee jaar tijd te ontwikkelen. Vervolgens ontving het drie jaar extra financiering om de radar voor te bereiden op de ruimte, demonstreren van de beeldvormingsmogelijkheden via vliegtuigen, met inbegrip van zowel aan boord als op afstand bestuurde vliegtuigen, en breng een in de ruimte inzetbare antenne naar voren om het instrument te voltooien.

"InSAR is bijzonder nuttig geweest voor een beter begrip van vulkanen in afgelegen gebieden, " zei Anderson. Bijvoorbeeld, de technologie hielp wetenschappers om vervorming op te merken in de buurt van de Three Sisters-cluster van vulkanen in het centrum van Oregon van 1997 tot 2001. InSAR stelde vervorming vast in een gebied waar voor het laatst een uitbarsting was 1, 500 jaar geleden. Door de waargenomen veranderingen de USGS installeerde seismometers, GPS-stations en gasmonitoringapparatuur om te controleren op andere tekenen van activiteit. In 2004, die instrumenten detecteerden een zwerm van 300 kleine aardbevingen.

"InSAR stelt je in staat om brede dekkingsgebieden te krijgen en te zien hoe een deel van de caldera van de vulkaan verandert ten opzichte van een ander deel, "Patrick Rennich, de CIRES-signaalverwerkings- en experimentontwerpleider, zei. Typisch, onderzoekers plaatsen een beperkt aantal GPS-sensoren op specifieke delen van de vulkaan om elke beweging te volgen. "CIRES zou de hele caldera moeten kunnen bestrijken, ' zei Rennich.

Stappen naar de ruimte

Tijdens de ontwikkeling, "het team liep veel tegenslagen op, "zei Wye. Echter, met elke hik, zoals een vertraagde testvlucht, het team werd innovatief. "Het leverde veel leuke oefeningen op, ' zei Wy.

Bij een van die oefeningen bond het team het instrument vast aan een rijdende auto. Ze reden met de auto, die ze "CarSAR, " langs verhoogde wegen in de Bay Area van Noord-Californië begin 2018 om te zien hoe CIRES informatie zou oppikken in een vallei beneden. "Maar we moesten echt hoger komen om onze gegevens te testen, ' zei Wy.

Toen de vulkaan Kīlauea in mei 2018 begon uit te barsten, ze zagen hun kans schoon. Op 4 juli, 2018, lava stroomde en de caldera van de vulkaan stortte in. CIRES behaalde met succes SAR, of momentopnames, maar kon geen InSAR verkrijgen, of vergelijkingsbeelden, boven Kilauea, gedeeltelijk omdat, "Het was moeilijk om elke dag op exact hetzelfde pad te vliegen, ' zei Rennich.

De vluchten over Kīlauea, onder andere veldproeven, hielp het team te leren wat wel en niet werkte toen ze het instrument ontwikkelden. Ze waren in staat om CIRES te optimaliseren om het energiebeheer te verbeteren, maat, sensormogelijkheden en het vermogen om hitte te weerstaan.

In december 2019, het team weer vastgebonden CIRES, met bijgewerkte hardware en software, naar een vliegtuig dat gewoonlijk is gereserveerd voor commercieel parachutespringen en vloog 10, 000 voet boven een trainingsfaciliteit van het leger in Indiana. "Het blijkt dat parachutisten heel comfortabel vliegen met een open deur, ' zei Rennich.

Het team vloog CIRES boven een gesimuleerd overstroomd dorp in het Muscatatuck Urban Training Center om radarsignaturen in een overstroomde stedelijke omgeving beter te begrijpen. De vlucht produceerde ook gegevens die de algoritmen zouden kunnen verbeteren die de omvang van overstromingen en gerelateerde schade kwantificeren. NASA's Earth Science Technology Office and Disasters Program hielp de vluchten en analyse van de CIRES-gegevens te financieren.

"Door CIRES op een vliegtuig te monteren, we kunnen onder verschillende hoeken vliegen en zien hoe verschillende oriëntaties van gebouwen van invloed zijn op hoe ze verschijnen in radarbeelden als gevolg van overstromingen, "Sang-Ho Yun, een geofysicus en medeonderzoeker van dit project bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, zei. "Overstroming is als een geest, " zei Yun; de kortstondige aard maakt het moeilijk om de nauwkeurigheid van technieken voor het in kaart brengen van overstromingen te beoordelen.

Het team voerde ook een experiment uit waarbij ze de beweging op de grond controleerden om CIRES te testen. Tijdens de vlucht in Indiana, "Een van onze collega's op de grond zou zilverkleurige metalen reflectoren een halve centimeter tot een centimeter verhogen om te laten zien dat we dat niveau van verandering kunnen detecteren, " zei Rennich. Dit hielp bewijzen dat CIRES nauwkeurige InSAR-gegevens verzamelde.

De vluchten waren mede succesvol omdat het team meerdere keren achter elkaar CIRES langs hetzelfde pad kon vliegen, wat ze op Hawaï niet konden. "We hebben een beter pilootnavigatiesysteem geïmplementeerd, " zei Rennich, waardoor het team binnen een paar voet kon vliegen van waar ze de vorige dag waren gevlogen. Op Hawaii, ze vlogen ongeveer 500 voet van de koers van de vorige dag.

"Als je in de ruimte bent, traject is veel meer herhaalbaar, " zei Rennich, omdat elke satelliet op een voorspelbare, traceerbare cursus.

Voor het team om CIRES te maken, of een CIRES-achtig instrumentwerk in de ruimte, ze zouden de antenne aanzienlijk moeten uitbreiden, van twee voet breed tot 10 voet breed, zei Rennich. "Al het andere blijft vrijwel hetzelfde, " hij zei.

"Kleine satellieten, vergelijkbaar in reikwijdte als CIRES, kan een droomsysteem zijn vanuit het oogpunt van snelle rampenbestrijding, " zei Yun. Hoewel kleine satellieten, zoals CIRES, niet dezelfde nauwkeurigheid kunnen bereiken als grotere systemen, ze zouden vaker gegevens kunnen verkrijgen als zich een ramp voordoet. "Met kleine satellieten, we dat doel kosteneffectief kunnen bereiken, ' zei Yun.