Миссия PREFIRE отправит два спутника CubeSat, изображенных в концепции художника на орбите Земли, в космос, чтобы изучить, сколько тепла планета поглощает и излучает из своих полярных регионов. Эти измерения послужат основой для моделей климата и льда. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Через несколько месяцев два новых миниатюрных спутника НАСА начнут пересекать атмосферу Земли, обнаруживая потери тепла в космосе. Их наблюдения из самых леденящих кровь регионов планеты помогут предсказать, как изменятся наши льды, моря и погода перед лицом глобального потепления.
Кубические спутники размером с коробку из-под обуви, или CubeSats, включают в себя миссию под названием PREFIRE, сокращение от Polar Radiant Energy в эксперименте в дальнем инфракрасном диапазоне. Оснащенные технологиями, проверенными на Марсе, их цель — впервые выявить полный спектр потерь тепла в полярных регионах Земли, сделав климатические модели более точными.
PREFIRE был разработан совместно НАСА и Университетом Висконсин-Мэдисон с участием членов команды из университетов Мичигана и Колорадо.
Миссия начинается с энергетического бюджета Земли. В планетарном балансе количество тепловой энергии, которую планета получает от Солнца, в идеале должно быть компенсировано количеством, которое излучается из земной системы в космос. Разница между поступающей и исходящей энергией определяет температуру Земли и формирует наш климат.
Полярные регионы играют ключевую роль в этом процессе, действуя как ребра радиатора Земли. Перемешивание воздуха и воды под воздействием погоды и океанских течений перемещает тепловую энергию, полученную в тропиках, к полюсам, где она излучается в виде теплового инфракрасного излучения — тот же тип энергии, который вы ощущаете от тепловой лампы. Около 60% этой энергии уходит в космос в дальней инфракрасной области волн, которые никогда систематически не измерялись.
PREFIRE может закрыть этот пробел. «У нас есть потенциал открыть некоторые фундаментальные вещи о том, как работает наша планета», — сказал Брайан Друин, ученый и заместитель главного исследователя миссии в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии.
«В климатических прогнозах большая часть неопределенности возникает из-за того, что мы не знаем о Северном и Южном полюсах и о том, насколько эффективно излучение испускается в космос», — сказал он. «Важность этого излучения не осознавалась на протяжении большей части космической эры, но теперь мы знаем и стремимся его измерить».
Каждый спутник будет запущен из Новой Зеландии с интервалом в две недели в мае. Каждый спутник будет оснащен тепловым инфракрасным спектрометром. Приборы, разработанные Лабораторией реактивного движения, включают в себя зеркала специальной формы и детекторы для разделения и измерения инфракрасного света. Похожая технология используется марсианским климатическим зондом на орбитальном аппарате НАСА для исследования атмосферы и погоды Красной планеты.
Миниатюризация инструментов для размещения на CubeSat была непростой задачей для команды инженеров PREFIRE. Они разработали уменьшенную конструкцию, оптимизированную для сравнительно теплых условий нашей планеты. Приборы весом менее 6 фунтов (3 кг) считывают показания с помощью устройства, называемого термопарой, похожего на датчики, используемые во многих бытовых термостатах.
Эпицентр изменения климата
Чтобы максимизировать покрытие, близнецы PREFIRE будут вращаться вокруг Земли по разным путям, пересекаясь каждые несколько часов вблизи полюсов.
С 1970-х годов Арктика нагревалась как минимум в три раза быстрее, чем где-либо еще на Земле. Зимний морской лед там сокращается более чем на 15 900 квадратных миль (41 200 квадратных километров) в год, что составляет 2,6% за десятилетие по сравнению со средним показателем за 1981-2010 годы. Изменения происходят и на противоположной стороне планеты: ледяные щиты Антарктиды теряют массу в среднем примерно на 150 миллиардов тонн в год.
Последствия этих изменений имеют далеко идущие последствия. Колебания морского льда формируют полярные экосистемы и влияют на температуру и циркуляцию океана. Талая вода ледяных щитов толщиной в милю в Гренландии и Антарктиде является причиной примерно одной трети повышения глобального среднего уровня моря с 1993 года.
«Если вы измените полярные регионы, вы также фундаментально измените погоду во всем мире», — сказал Тристан Л'Экуйер, профессор Университета Висконсин-Мэдисон и главный исследователь миссии. «Сильнейшие штормы, наводнения, береговая эрозия — на все это влияет то, что происходит в Арктике и Антарктике».
Чтобы понять и спрогнозировать такие изменения, ученые используют климатические модели, учитывающие многие физические процессы. Запуск моделей несколько раз (каждый раз при несколько разных условиях и предположениях) приводит к получению ансамбля климатических прогнозов. Предположения о неопределенных параметрах, например, о том, насколько эффективно полюса излучают тепловое излучение, могут существенно повлиять на прогнозы.
PREFIRE предоставит новые данные о различных климатических переменных, включая температуру атмосферы, свойства поверхности, водяной пар и облака. В конечном итоге, больше информации даст более точное представление о меняющемся мире, сказал Л'Экуйер.
«По мере сближения наших климатических моделей мы начнем по-настоящему понимать, как будет выглядеть будущее Арктики и Антарктики», — добавил он.
