Когда в апреле 2012 года высотный самолет пролетел над ледяным Северным Ледовитым океаном и заснеженной местностью Гренландии, это было первое полярное испытание новой лазерной технологии для измерения высоты Земли из космоса.Экспериментальный лидар НАСА с несколькими лучами высотомера пролетел над ледниками и морским льдом юго-западной Гренландии, чтобы проверить новый метод измерения высоты Земли из космоса.На борту этого самолета пролетел экспериментальный лидар с несколькими высотомерными лучами, или MABEL, который является бортовым испытательным прибором для спутниковой миссии NASA ICESat-2, запуск которой запланирован на 2017 год. Приборы MABEL и ICESat-2 ATLAS являются счетчиками фотонов — они посылают их в исходное состояние. импульсы зеленого лазерного света и время, за которое отдельные световые фотоны отражаются от поверхности Земли и возвращаются.
Это время, наряду с точным местоположением ATLAS по бортовому GPS, будет подключено к компьютерным программам, чтобы сообщать исследователям высоту поверхности Земли, измеряя изменение до ширины карандаша.Такая технология подсчета фотонов нова для спутников; с 2003 по 2009 год прибор ICESat-1 отслеживал интенсивность отраженного лазерного сигнала, который включал много фотонов. Таким образом, получение данных по отдельным фотонам от MABEL помогает ученым подготовиться к огромным объемам данных о высоте, которые они получат от ICESat-2.«Использование отдельных фотонов для измерения высоты поверхности — действительно новая вещь, — сказал Рон Квок, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния. — Этого никогда не делали с орбитальных спутников, и на самом деле это не так. много сделали и с бортовыми приборами ".
Задачей ICESat-2 является измерение высоты над всей поверхностью Земли, включая растительность и океаны, но с акцентом на изменения в замороженных областях планеты, где ученые наблюдали драматические последствия изменения климата. Здесь два типа льда — ледяные щиты и морской лед — отражают фотоны света по-разному. Ледниковые щиты и ледники встречаются на суше, например в Гренландии и Антарктиде, и образуются в результате накопления замерзшего снега и дождя. С другой стороны, морской лед — это замороженная морская вода, плавающая в Северном Ледовитом океане и у берегов Антарктиды.
«Кампания MABEL в Гренландии в 2012 году была разработана для наблюдения за рядом интересных ледяных объектов», — сказал Билл Кук, ведущий научный сотрудник MABEL в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. какие методы анализа данных позволяют им лучше всего измерять высоту поверхности Земли.«Мы хотели получить самые разные типы целей, чтобы научная группа располагала большим объемом данных для разработки алгоритмов», — сказал Кук. «Это была наша первая настоящая научная миссия».Например, полеты над океаном возле Гренландии позволили исследователям продемонстрировать, что они могут измерить разницу в высоте между открытой водой и морским льдом, что является ключом к определению толщины льда.
По словам Кука, MABEL может обнаруживать достаточное количество фотонов лазерного света, которые отражаются от поверхности Земли и возвращаются к прибору, а затем программы могут производить необходимые вычисления высоты.«Часть того, что мы делаем с MABEL, заключается в демонстрации того, что прибор ICESat-2 будет иметь правильную чувствительность для проведения измерений», — сказал Кук. «Вы можете сделать этот счет фотонов, если у вас достаточно фотонов».В статье, недавно опубликованной в Журнале атмосферных и океанических технологий, Квок и его коллеги показали, как рассчитать высоту по данным MABEL и сделать это над различными типами льда — от открытой воды до тонкого, стеклянного льда и снега. -покрытый лед.
«Мы были очень довольны точностью, — сказал Квок. «Плоские участки плоские до сантиметрового уровня, а шероховатые участки грубые». Плотность регистрации фотонов также может сказать исследователям, над каким льдом пролетал прибор.
Контуры ледяной поверхности также важны при мониторинге ледяных щитов и ледников, покрывающих сушу. В первоначальной миссии ICESat-1 использовался единственный лазер, что затрудняло определение того, увеличился или уменьшился ледяной щит.
При использовании одиночного луча, когда инструмент пролетел над местом во второй раз, исследователи не могли определить, растаял ли снежный покров или лазер был немного выключен и направлен вниз с холма. По словам Келли Брант, ученого-исследователя из НАСА Годдарда, из-за этого ученым потребовалось 10 проходов над районом, чтобы определить, меняется ли ледяной покров.«ICESat-1 был фантастическим, но это был однолучевой прибор», — сказал Брант. «Мы больше заинтересованы в повторении треков для отслеживания изменений — это сложно сделать».
ICESat-2 решает эту проблему, разделяя лазер на шесть лучей. Они расположены в трех парах, и лучи внутри пары расположены на расстоянии 295 футов (90 метров), или чуть меньше футбольного поля друг от друга. Сравнивая высоту одного участка с высотой его соседа, ученые могут определить общий уклон местности.
Брант и ее коллеги использовали данные MABEL из кампании 2012 года в Гренландии, чтобы попытаться обнаружить уклоны с уклоном до 4%; их результаты будут опубликованы в выпуске журнала Geoscience and Remote Sensing Letters за май 2014 года. Они подсчитали только часть фотонов, чтобы смоделировать более слабые лазерные лучи, которые несет ICESat-2. С помощью компьютерных программ для определения наклона исследователи проверили его по результатам предыдущих миссий.«Точность великолепна, — сказал Брант. «Мы очень уверены, что с парой лучей ICESat-2 мы можем видеть наклон».
И Мейбл еще многое может измерить. Команда по приборам планирует летнюю кампанию 2014 года по полетам над ледниками и ледяными покровами в более теплую погоду. «Мы хотим увидеть, каковы эффекты таяния», — сказал Кук. «Как выглядят ледники, если они теплее, а не холоднее?»