Карта, описывающая накопление пресной воды (синий) и потерю (красный) с использованием данных спутников NASA Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Новый эксперимент по моделированию системы наблюдений (OSSE) поможет исследователям разработать научные миссии, посвященные мониторингу наземных запасов пресной воды. Кредит: НАСА
От радаров размером с коробку из-под обуви до радиометров размером с коробку из-под молока — сегодня ученым доступно больше инструментов для наблюдения за сложными системами Земли, чем когда-либо прежде. Но такое изобилие доступных датчиков создает свою уникальную задачу: как исследователям наиболее эффективно организовать эти разнообразные инструменты для полевых кампаний и научных миссий?
Чтобы помочь исследователям максимизировать ценность научных миссий, Барт Форман, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Университете Мэриленда, и группа исследователей из Технологического института Стивенса и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА разработали прототип эксперимента по моделированию наблюдательной системы. (OSSE) за разработку научных миссий по мониторингу наземных запасов пресной воды.
«У вас есть разные типы датчиков. Есть радары, есть радиометры, есть лидары — каждый измеряет разные компоненты электромагнитного спектра», — сказал Барт Форман, доцент кафедры гражданского и экологического строительства в Университете Мэриленда. «Разные наблюдения имеют разную силу».
Наземные запасы пресной воды описывают интегрированную сумму пресной воды, распределенной по земному снегу, влажности почвы, растительному покрову, водохранилищам поверхностных вод и грунтовым водам. Это динамическая система, бросающая вызов традиционным статическим системам научного наблюдения.
Проект Формана основан на предыдущих технологических достижениях, которых он достиг в ходе более раннего проекта Управления технологий наук о Земле (ESTO), в котором он разработал эксперимент по моделированию системы наблюдения для картирования земного снега.
Он также во многом опирается на инновации, впервые внедренные в Информационной системе НАСА (LIS) и Инструменте анализа торгового пространства НАСА для проектирования созвездий (TAT-C), двух инструментах моделирования, которые начались как инвестиции ESTO и быстро стали основными в сообществе наук о Земле.
Инструмент Формана объединяет эти программы моделирования в новую систему, которая предоставляет исследователям настраиваемую платформу для планирования миссий динамического наблюдения, включающих разнообразную коллекцию наборов космических данных.
Кроме того, инструмент Формана также включает в себя инструмент оценки затрат «долларов на науку», который позволяет исследователям оценить финансовые риски, связанные с предлагаемой миссией.
Вместе все эти функции дают ученым возможность связывать наблюдения, усвоение данных, оценку неопределенности и физические модели в единой интегрированной структуре.
«Мы взяли модель земной поверхности и попытались объединить ее с различными космическими измерениями снега, влажности почвы и грунтовых вод, чтобы увидеть, существует ли оптимальная комбинация, которая принесет нам максимальную отдачу от наших научных затрат», — объяснил Форман.
Хотя инструмент Формана не является первой информационной системой, предназначенной для разработки научных миссий, он включает в себя ряд новых функций. В частности, его способность объединять наблюдения с космических пассивных оптических радиометров, пассивных микроволновых радиометров и радиолокационных источников знаменует собой значительный технологический прогресс.
Форман объяснил, что хотя эти косвенные наблюдения за пресной водой содержат ценную информацию для количественной оценки пресной воды, каждое из них также содержит свои собственные уникальные характеристики ошибок, которые необходимо тщательно интегрировать с моделью поверхности суши, чтобы получить оценки геофизических переменных, которые больше всего волнуют ученых.
Программное обеспечение Формана также объединяет LIS и TAT-C в единой программной среде, расширяя возможности обеих систем по созданию превосходных описаний глобальной гидрологии суши.
Действительно, Форман подчеркнул важность наличия большой и разнообразной команды, в которую входят эксперты из всех сообществ, занимающихся науками о Земле и моделированием.
«Приятно быть частью большой команды, потому что это большие проблемы, и я сам не знаю ответов. Мне нужно найти много людей, которые знают намного больше, чем я, и заставить их как бы вмешаться. и засучили рукава и помогли нам. И они это сделали», — сказал Форман.
Создав эксперимент по моделированию системы наблюдения, способный включать динамические наблюдения из космоса в модели планирования миссий, Форман и его команда надеются, что будущие исследователи будут опираться на их работу для создания еще лучшей программы моделирования миссий.
Например, пока Форман и его команда сосредоточились на составлении планов миссий для существующих датчиков, расширенная версия их программного обеспечения может помочь исследователям определить, как они могут использовать будущие датчики для сбора новых данных.
«Благодаря тому, что может делать TAT-C, мы можем создавать гипотетические датчики. Что, если мы удвоим ширину полосы обзора? Если он сможет видеть вдвое больше пространства, даст ли это нам больше информации? Одновременно мы можем задавать вопросы о влияние различных характеристик ошибок для каждого из этих гипотетических датчиков и изучить соответствующий компромисс», — сказал Форман.
