Три прибора, разработанные группой высокогорных радаров в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, совершили полет в рамках шестинедельной программы наземной проверки миссии Global Precipitation Measurement (GPM), которая проходила с 1 мая по 15 июня в США. южные Аппалачи, специально для измерения дождя в труднопрогнозируемых горных регионах. Помимо проверки измерений, в рамках кампании были протестированы алгоритмы обработки данных, разработанные GPM Core Observatory, запущенной в феврале.
Кампания стала первой для НАСА. Никогда прежде агентство не использовало более двух радарных систем, настроенных на разные частоты, для измерения количества осадков в полевых условиях.
Кроме того, два прибора совершили свой первый полет, чтобы продемонстрировать технологические усовершенствования, которые могут проложить путь для будущих высокоэффективных бортовых или космических радаров для изучения осадков.
Будущие миссии по изучению атмосферных осадков и, в частности, миссия по экологии аэрозольных облаков, или ACE, которую Национальный исследовательский совет рекомендовал в своем десятилетнем обзоре наук о Земле, сделали разработку новых радиолокационных систем для наблюдения за облаками и небольшими осадками приоритетной задачей.
Почему радар и почему три?
По словам ученых кампании, решение использовать три разные системы было далеко не излишним.
Дождь бывает более 31 вкуса, от крошечных облачных капель и туманной мороси до жирных капель дождя и двухдюймовых градин, и, конечно же, всего, что между ними. Разные частоты радаров улавливают разные типы осадков, как правило, в зависимости от размера и от того, являются ли частицы ледяными или жидкими. Радары, летающие с несколькими частотами, могут изучать больше типов осадков и определять, где они происходят внутри облаков, давая ученым более полную картину внутренней работы ливня.
В частности, более низкие микроволновые частоты могут обнаруживать сильный дождь на всем протяжении до земли.
Но для обнаружения крошечных облачных частиц требуется сигнал с более высокой частотой микроволн. Поскольку этот сигнал иногда ослабляется, прежде чем он пройдет через облако и вернется к радару, для радаров осадков традиционно требуется большая мощная антенна.
Что старое, то снова новое
«Войдите в облачную радарную систему, радар 20-летней давности, который был полностью перестроен изнутри», — сказал Джерри Хеймсфилд из группы высокогорных радаров Годдарда, которая модернизировала инструмент. «Старый радар был хорошим, — сказал Хеймсфилд, — но большая разница в новом в том, что мы используем твердотельный передатчик."Новый передатчик, который посылает радиолокационный импульс, требует меньше энергии, занимает меньше места и дает более надежные результаты — достижения, которые делают радиолокационную систему более подходящей для самолетов и спутников.
Облачная радарная система также оснащена новой антенной для приема ответных сигналов с данными или обратного рассеяния радиолокационного импульса.
По словам Хеймсфилда, партнеры из Northrup Grumman спроектировали новую антенну под руководством главного исследователя Годдарда Пола Рейсетта, и в результате получилось уменьшенное в масштабе доказательство концепции того, что однажды может полететь в космос.
Конструкция облачной радарной системы выросла из аналогичного подхода, который группа высокогорных радаров использовала для создания двух других радаров, которые измеряли количество осадков во время кампании: высокогорный анализатор ветра и дождя (HIWRAP) и ER-2 X-Band.
Радар (EXRAD).
Спутниковый симулятор
Во время полевой кампании в Северной Каролине все три радара пролетели на высоте 65000 футов на самолете НАСА ER-2, которым управляет Центр летных исследований Армстронга в Эдвардсе, Калифорния. Под ER-2 второй самолет, которым управляет Университет Северной Каролины, пролетел сквозь облака, чтобы собрать данные об осадках и частицах облаков.
На поверхности команда NASA GPM работала с Гидрометеорологическим испытательным стендом NOAA и Университетом Дьюка, чтобы фиксировать осадки, когда они падают на землю, используя наземный радар, который сканировал воздух между поверхностью и дождевыми облаками, и сеть датчиков дождя по всему горному району и долины.
Во время шестинедельной полевой кампании HIWRAP — один из нескольких инструментов, которые также использовались в миссии NASA Hurricane and Severe Storm Sentinel, выполнявшейся позже этим летом и осенью — заменял спутник GPM.
Его две частоты радара, 35 гигагерц для небольшого дождя и 13.5 гигагерц для сильного дождя, почти идентичны двухчастотному радару наблюдения за осадками GPM Core Observatory. Ученые собрали данные, которые теперь будут обрабатывать с помощью компьютерных алгоритмов, специально разработанных для преобразования данных радиолокационного поиска в оценки дождя. Затем они сравнят эти оценки с наземными данными, чтобы определить, нужно ли им настраивать алгоритмы, сказал Хеймсфилд.
EXRAD, как и обновленная облачная радарная система, дебютировал в полете во время кампании. Он дополнил HIWRAP, собирая данные в полосе частот 10 гигагерц, идеально подходящей для измерения больших дождевых капель и града во время грозы.
В отличие от других радаров, которые просто указывают вниз, EXRAD также имеет возможность сканирования для захвата дождя в более широком поле обзора ниже.
Уникальные возможности
По словам Хеймсфилда, несколько радаров с разными частотами, смотрящие на один и тот же шторм, предоставили научной группе уникальные возможности.
Когда ER-2 пролетал над головой, радары и другие инструменты фиксировали, как диапазон облачных капель, дождевых капель и ледяных шариков перемещался и изменялся относительно друг друга с течением времени. Эти наблюдения лежат в основе поведения штормовых систем, что, в свою очередь, приведет к созданию более совершенных моделей, используемых для прогнозирования погоды и наводнений, сказал Хеймсфилд.
«Когда вы смотрите на разные облака с разной частотой, это многое говорит об облачных частицах, которые там находятся», — сказал Хеймсфилд. «Наличие четырех частот на ER-2 позволило нам измерить гораздо более широкий диапазон облаков и осадков, что поможет как в GPM, так и в будущих миссиях по облакам и осадкам."