Otto satelliti delle dimensioni di una valigetta che volano di fila possono essere la chiave per migliorare le previsioni della velocità del vento di un uragano, rilevando se arriverà a terra come una categoria 1 o una categoria 5. La flotta Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) della NASA, lanciato nel 2016, è stato progettato per mostrare se gli stessi segnali GPS utilizzati dal telefono per la navigazione possono essere utilizzati per misurare i venti in profondità all'interno di un uragano o un tifone. La risposta sembra essere un sonoro sì.

I modelli di previsione meteorologica sono migliorati notevolmente nel prevedere la traccia futura di un uragano o di un tifone, ma non sono migliorati nel prevedere la velocità massima del vento, che gli scienziati chiamano intensità. Questo perché questi giganti tropicali sono guidati da forze esterne, come i venti regionali, ma la loro intensità dipende dalle forze all'interno di ogni tempesta. E mentre molti satelliti possono vedere i venti esterni, non possono vedere attraverso le spesse nuvole e la pioggia di un uragano.

Il ricercatore principale di CYGNSS Christopher Ruf dell'Università del Michigan ad Ann Arbor ha spiegato:"Per prevedere l'intensità, devi misurare la velocità del vento proprio nel bel mezzo della tempesta e, fino a CYGNSS, non c'è stato un modo per farlo se non pilotare gli aerei Hurricane Hunter".

I nuovi dati CYGNSS si sono rivelati un'eccellente corrispondenza con i dati di Hurricane Hunter raccolti contemporaneamente durante gli uragani Maria del 2017, Irma e Josè. Gli otto piccoli satelliti, in orbita con un intervallo di soli 12 minuti tra loro, hanno raccolto più dati su ogni tempesta di quanti potrebbero essere raccolti durante un volo di Hurricane Hunter.

Come vedere attraverso la pioggia e le nuvole

Per vedere cosa c'è nell'atmosfera, molti satelliti per l'osservazione della Terra inviano segnali elettromagnetici con lunghezze d'onda che sono lunghe solo frazioni di pollice. A questi segnali a corta lunghezza d'onda, una goccia di pioggerellina, granello di polvere o qualsiasi altra particella aerodispersa è un ostacolo impenetrabile. Anche se le lunghezze d'onda sono più lunghe di queste minuscole particelle, sono di dimensioni abbastanza vicine da segnalare che rimbalzano sulle particelle come una palla da biliardo che si scontra con un'altra palla. "leggendo" questi segnali sparsi, i ricercatori possono discernere la forma e la posizione delle nuvole e altri ostacoli in cui si sono imbattuti i segnali.

In altre parole, le lunghezze d'onda corte consentono ai ricercatori di vedere una tempesta ma non attraverso di essa.

CYGNSS, d'altra parte, utilizza i segnali GPS. La loro lunghezza d'onda è lunga 7,5 pollici (19 centimetri), molto più lunga delle lunghezze d'onda corte utilizzate dalla maggior parte degli strumenti satellitari o di qualsiasi goccia di pioggia mai misurata. A quella lunghezza d'onda, Ruf ha detto, "Non vedi affatto una goccia di pioggia. Devi solo attraversarla." Ciò consente a CYGNSS di vedere attraverso un uragano e misurare i venti sulla superficie dell'oceano.

Satelliti GPS, gestito dalla US Air Force, sono in un'orbita molto più alta della flotta CYGNSS. Mentre un satellite GPS sorvola un ciclone tropicale, i suoi segnali passano senza ostacoli attraverso la tempesta e rimbalzano sulla superficie dell'oceano. Nella loro orbita inferiore, I ricevitori GPS rivolti verso il basso di CYGNSS sono in grado di intercettare i segnali che ritornano verso l'alto. Le distorsioni in questi segnali rimbalzati mostrano quanto sia agitato il mare, consentendo ai ricercatori di calcolare la velocità del vento che ha causato la rugosità.

Trasformare i segnali in misurazioni

Gli otto piccoli satelliti di CYGNSS hanno funzionato bene dal lancio, ma gli scienziati della missione hanno incontrato un grosso ostacolo lungo il percorso per elaborare i segnali GPS in dati sulla velocità del vento. Nella progettazione della missione, gli scienziati hanno ipotizzato che i segnali GPS vengano trasmessi a una forza costante. Ma quando gli scienziati hanno iniziato a raccogliere dati, hanno scoperto che la potenza del segnale dalla maggior parte dei satelliti GPS cambia durante ogni orbita e che il grado di cambiamento varia da satellite a satellite. Queste variazioni hanno annullato le misurazioni dei venti forti dei satelliti CYGNSS di ben 11 mph (18 km/h).

"Abbiamo passato un anno o più a lavorare sul problema, e finalmente abbiamo capito, " Ruf ha detto. "Fondamentalmente, l'Air Force aumenta la potenza quando vanno in certe parti del mondo dove i cattivi stanno cercando di disturbare i segnali." I segnali più forti sono più difficili da disturbare.

Una volta che il team CYGNSS ha compreso il problema, hanno trovato una soluzione. Ogni satellite CYGNSS trasporta non solo un ricevitore GPS primario per raccogliere segnali che rimbalzano dalla superficie terrestre, ma anche secondario, ricevitore più piccolo per la localizzazione e il monitoraggio. Il team ha riprogrammato i ricevitori più piccoli per misurare la forza del segnale di trasmissione proveniente dall'alto, che forniva loro le informazioni di cui avevano bisogno per elaborare correttamente i segnali di ritorno dal basso.

Con quel problema risolto, i ricercatori potrebbero dedicarsi al compito di valutare come i dati CYGNSS potrebbero influenzare le previsioni degli uragani.

Sperimentare una versione di ricerca dello stesso modello di uragano che la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) utilizza per le previsioni, gli scienziati hanno aggiunto i dati CYGNSS alle ricostruzioni di due delle notevoli tempeste del 2017, gli uragani Harvey e Irma. L'aggiunta di dati CYGNSS ha prodotto previsioni più realistiche, non solo dell'intensità dei temporali, ma delle loro tracce e struttura. Altri studi hanno mostrato miglioramenti simili nelle previsioni di diverse tempeste.

Un bonus acquoso inaspettato

Con sorpresa di Ruf, CYGNSS ha dimostrato di avere un'applicazione imprevista. Il team di CYGNSS aveva pianificato di spegnere regolarmente i propri ricevitori quando i satelliti sorvolano la terraferma, ma il team ha deciso di semplificare le operazioni facendo in modo che i satelliti raccolgano dati in ogni momento. Due studenti post-dottorato al Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, deciso di esaminare i dati da oltre terra. "E 'stata davvero fortuna tanto quanto niente, ma si scopre che ci sono tutti i tipi di belle scienze che puoi fare con i dati del terreno per misurare l'umidità del suolo e le inondazioni, " ha detto Ruf.

Come gli ex studenti, Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research a Boulder, Colorado) e Hugo Carreno-Luengo (Barcellona, Spagna), hanno documentato il valore dei dati, La NASA ha ora ufficialmente esteso la portata della missione e ha invitato il team scientifico a ridefinire gli scopi della missione. Potrebbero esserci altre applicazioni in attesa di essere scoperte mentre gli otto piccoli satelliti CYGNSS continuano a osservare i venti nascosti nelle tempeste tropicali.