Invece di guardare il cielo per esplosioni luminose di colori infuocati, un team di ricerca ha trascorso il 4 luglio 2018 a scrutare i globi infuocati di lava fusa da un aeroplano in paracadutismo. Imbullonato al loro aereo c'era un nuovo strumento della NASA progettato per rilevare ogni volta che il vulcano prendeva fiato, mentre la sua caldera si gonfiava e si sgonfiava.

Il team ha effettuato più voli sopra il vulcano Kīlauea nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii dal 3 al 5 luglio, 2018, dimostrare come un nuovo strumento potrebbe aprire la strada a una futura costellazione di piccoli satelliti dedicati al monitoraggio degli impatti dell'attività vulcanica, terremoti e cambiamenti della superficie terrestre, disse Lauren Wye, il ricercatore principale che ha guidato e recentemente concluso lo sviluppo dello strumento presso SRI International a Menlo Park, California.

Una mappa globale che dettaglia i cambiamenti di elevazione del terreno nel tempo può aiutare gli scienziati a individuare il movimento del suolo prima, durante e dopo terremoti ed eruzioni vulcaniche, e aiutano a identificare gli impatti delle inondazioni e del pompaggio delle acque sotterranee. "Il radar di imaging CubeSat per le scienze della terra, o CIRES, può aiutare i decisori e i responsabili delle emergenze a ottenere osservazioni prima di un evento pericoloso in modo che siano meglio preparati ad affrontare i soccorsi in caso di catastrofe, "Ha detto Wye.

Sebbene l'eruzione di Kīlauea abbia colpito oltre 50 miglia quadrate di terra, deformazione del suolo, o un cambiamento di elevazione del terreno, non è sempre percepibile dall'occhio umano. La tecnologia altamente specializzata come il nuovo strumento di Wye può individuare e registrare questi cambiamenti.

CIRES è dotato di un radar ad apertura sintetica interferometrico in banda S (InSAR). Il radar in banda S è in grado di penetrare attraverso la vegetazione e raggiungere il suolo. CIRES acquisisce due immagini radar di un'area specifica approssimativamente dalla stessa posizione nello spazio in due momenti diversi e quindi elabora le due immagini per determinare la differenza tra loro.

Le Accademie Nazionali delle Scienze, Indagine decennale 2017 di Ingegneria e Medicina, "Prosperare sul nostro pianeta che cambia:una strategia decennale per le osservazioni della Terra dallo spazio, " raccomanda alla NASA di utilizzare le misurazioni InSAR per aiutare ad affrontare la dinamica dei terremoti, vulcani, frane, ghiacciai, acque sotterranee e l'interno della Terra.

Una costellazione di piccoli satelliti InSAR potrebbe lavorare in tandem con la NASA-ISRO SAR Mission (NISAR), che è il primo satellite InSAR dedicato della NASA attualmente in fase di sviluppo. Più piccoli satelliti potrebbero raccogliere dati frequenti su processi in rapida evoluzione, come eruzioni vulcaniche, terremoti e frane, aggiungendo ai dati globali sistematici di NISAR.

C'era una volta un radar

Tradizionalmente, i ricercatori monitorano la deformazione del suolo con sensori a terra e il Global Positioning System (GPS). Le misurazioni InSAR sono complementari alle misurazioni a terra e spesso possono guidare l'installazione dei sensori di terra. "I dati InSAR hanno rivoluzionato il modo in cui guardiamo a terremoti e vulcani, "Kyle Anderson, un geofisico presso l'U.S. Geological Survey, disse.

In orbita, una serie di piccoli satelliti InSAR potrebbe scrutare e registrare i cambiamenti nella deformazione del suolo. "I vulcani spesso si gonfiano di magma prima di eruttare, " ha detto Anderson. Anderson ha lavorato con il team CIRES a Kīlauea. "Anche se è difficile prevedere quanto grande o quanto sarà lunga l'eruzione, possiamo dire, questo vulcano ha iniziato a gonfiarsi e c'è una maggiore probabilità che erutta".

Il progetto CIRES è iniziato nel gennaio 2015 presso SRI International con il finanziamento dell'Earth Science Technology Office della NASA per sviluppare l'hardware dell'elettronica radar dello strumento nell'arco di due anni. Ha poi ricevuto altri tre anni di finanziamenti per preparare il radar per lo spazio, dimostrare le capacità di imaging tramite aereo, compresi gli aeromobili sia a bordo che a pilotaggio remoto, e fai avanzare un'antenna dispiegabile nello spazio per completare lo strumento.

"InSAR è stato particolarmente utile per comprendere meglio i vulcani in aree remote, " ha detto Anderson. Ad esempio, la tecnologia ha aiutato gli scienziati a notare la deformazione vicino al gruppo di vulcani delle Tre Sorelle nell'Oregon centrale dal 1997 al 2001. InSAR ha individuato la deformazione in un'area che ha visto l'ultima eruzione 1, 500 anni fa. A causa dei cambiamenti osservati, i sismometri installati dall'USGS, Stazioni GPS e apparecchiature di monitoraggio del gas per verificare altri segni di attività. Nel 2004, quegli strumenti hanno rilevato uno sciame di 300 piccoli terremoti.

"InSAR ti permette di ottenere ampie aree di copertura e vedere come una parte della caldera del vulcano sta cambiando rispetto a un'altra parte, "Patrick Rennich, il responsabile dell'elaborazione del segnale CIRES e della progettazione dell'esperimento, disse. Tipicamente, i ricercatori posizionano un numero limitato di sensori GPS su parti specifiche del vulcano per monitorare qualsiasi movimento. "CIRES dovrebbe essere in grado di coprire l'intera caldera, " ha detto Rennich.

Passi verso lo spazio

Durante lo sviluppo, "la squadra ha avuto molti singhiozzi, " disse Wye. Tuttavia, ad ogni intoppo, come un volo di prova in ritardo, il team è diventato innovativo. "Ha portato a molti esercizi divertenti, "Ha detto Wye.

Uno di questi esercizi ha visto la squadra legare lo strumento a un'auto in movimento. guidavano la macchina, che hanno soprannominato "CarSAR, " lungo strade sopraelevate nella Bay Area della California settentrionale all'inizio del 2018 per vedere come il CIRES avrebbe raccolto informazioni in una valle sottostante. "Ma avevamo davvero bisogno di salire più in alto per testare i nostri dati, "Ha detto Wye.

Quando il vulcano Kīlauea ha iniziato a eruttare nel maggio 2018, hanno visto la loro opportunità. Il 4 luglio, 2018, la lava scorreva e la caldera del vulcano stava crollando. Il CIRES ha ottenuto con successo SAR, o immagini istantanee, ma non è stato in grado di ottenere InSAR, o immagini di confronto, sopra Kīlauea, in parte perché, "Era difficile volare ogni giorno sulla stessa identica traiettoria, " ha detto Rennich.

I voli sopra Kīlauea, tra le altre prove sul campo, ha aiutato il team a capire cosa funzionava e cosa non funzionava durante lo sviluppo dello strumento. Sono stati in grado di ottimizzare CIRES per migliorare la sua gestione dell'energia, dimensione, capacità del sensore e capacità di resistere al calore.

A dicembre 2019, la squadra ha nuovamente legato il CIRES, con hardware e software aggiornati, ad un aereo solitamente riservato al paracadutismo commerciale e ha volato 10, 000 piedi sopra una struttura di addestramento dell'esercito in Indiana. "Si scopre che gli operatori di paracadutismo sono molto a loro agio a volare con una porta aperta, " ha detto Rennich.

Il team ha pilotato il CIRES sopra un villaggio simulato allagato presso il Muscatatuck Urban Training Center per comprendere meglio le firme radar in un ambiente urbano allagato. Il volo ha anche prodotto dati che potrebbero migliorare gli algoritmi che quantificano l'entità delle inondazioni e dei relativi danni. L'ufficio per la tecnologia delle scienze della terra e il programma per i disastri della NASA hanno contribuito a finanziare i voli e l'analisi dei dati CIRES.

"Montando il CIRES su un aereo, potremmo volare da diverse angolazioni e vedere come i diversi orientamenti degli edifici influenzano il modo in cui appaiono nelle immagini radar a causa dell'inondazione, " Sang-Ho Yun, un geofisico e coinvestigatore di questo progetto presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, disse. "L'inondazione è come un fantasma, " ha detto Yun; la sua natura effimera rende difficile valutare l'accuratezza delle tecniche di mappatura delle inondazioni.

Il team ha anche eseguito un esperimento in cui ha controllato il movimento a terra per testare CIRES. Durante il volo nell'Indiana, "Uno dei nostri colleghi a terra alzerebbe i riflettori di metallo argentato di mezzo centimetro a un centimetro per mostrare che possiamo rilevare quel livello di cambiamento, " ha detto Rennich. Ciò ha contribuito a dimostrare che il CIRES ha raccolto dati InSAR accurati.

I voli hanno avuto successo in parte perché il team è stato in grado di far volare CIRES lungo lo stesso percorso più volte di seguito, cosa che non potevano fare alle Hawaii. "Abbiamo implementato un migliore sistema di navigazione pilota, "Rennich ha detto, che ha permesso alla squadra di volare a pochi metri da dove avevano volato il giorno precedente. Alle Hawaii, il hanno volato a circa 500 piedi dal corso del giorno precedente.

"Quando sei nello spazio, la traiettoria è molto più ripetibile, "Rennich ha detto, perché ogni satellite è su un prevedibile, corso tracciabile.

Per la squadra per fare CIRES, o uno strumento simile al CIRES opera nello spazio, avrebbero bisogno di estendere significativamente la sua antenna, da due piedi di larghezza a 10 piedi di larghezza, ha detto Rennich. "Tutto il resto rimane praticamente lo stesso, " Egli ha detto.

"Piccoli satelliti, simile per portata al CIRES, può essere un sistema da sogno dal punto di vista della risposta rapida ai disastri, " disse Yun. Sebbene piccoli satelliti, come CIRES, non sarà in grado di ottenere la stessa precisione di sistemi più grandi, potrebbero ottenere dati più frequentemente quando si verifica un disastro. "Con piccoli satelliti, possiamo raggiungere questo obiettivo in modo conveniente, " ha detto Yun.