La suite di payload per l'osservazione della Terra attaccata al Japanese Experiment Module è mostrata mentre la Stazione Spaziale Internazionale orbita sull'Oceano Pacifico meridionale a est della Nuova Zelanda. Credito:NASA
Sulla terra, spesso guardiamo verso il cielo desiderosi di sapere cosa risiede nel resto dell'universo. Nel frattempo, 250 miglia sopra il nostro pianeta, la Stazione Spaziale Internazionale sta guardando indietro.
Sopra di noi, più strumenti di osservazione della Terra sono montati all'esterno di molti dei moduli della stazione, compreso un arto pieno di macchine fotografiche, scatole, e strumenti che pendono dal bordo del Japanese Experiment Module (JEM) della stazione. I CubeSat per l'osservazione della Terra si dispiegano regolarmente dalla camera di equilibrio della stazione. Gli astronauti scattano foto del pianeta dalle finestre del laboratorio orbitante. Questo avamposto conduce anche esperimenti di scienze della Terra. Tutto questo lavoro fornisce informazioni sul clima della nostra casa e su come potremmo prepararci per i prossimi cambiamenti.
"Se non hai una buona comprensione di come le cose potrebbero cambiare, sei in una posizione molto povera per essere in grado di gestirlo quando lo fanno, "dice Guglielmo Stefanov, direttore dell'Exploration Science Office presso il Johnson Space Center della NASA a Houston.
Il tempo riflette le condizioni dell'atmosfera in un breve periodo di tempo, e il clima è come l'atmosfera "si comporta" per decenni, centinaia di anni, o anche intervalli di tempo geologici, dice Stefanov.
Ciò significa che i fattori che influenzano il nostro clima devono essere monitorati per lunghi periodi. I suoi oltre 20 anni in orbita rendono la stazione spaziale un luogo ideale per raccogliere questi dati a lungo termine. Le informazioni combinate creano un set di dati unico che ci aiuta a prendere decisioni sul clima e potenzialmente a sviluppare soluzioni ai problemi ambientali.
Occhi sulla Terra
La stazione spaziale offre una prospettiva planetaria unica con un percorso orbitale che passa oltre il 90% della popolazione terrestre. La sua inclinazione orbitale di circa 52 gradi consente agli astronauti e ai carichi utili di osservazione della Terra di vedere il sole sorgere e tramontare 16 volte al giorno in tutto il mondo.
"Quell'orbita consente alla stazione spaziale di passare su diversi punti della Terra in diverse ore del giorno o della notte e raccogliere dati. Si tratta di un set di dati fondamentalmente diverso rispetto alla maggior parte degli altri strumenti di telerilevamento raccolti sui satelliti in volo libero, "dice Stefanov.
Montato all'esterno del laboratorio orbitante, payload internazionali come ECOSTRESS, GEDI, OCO-3, DESI, TSIS (noto anche come TSIS-1), e HISUI raccolgono individualmente dati relativi al clima. In combinazione, forniscono una serie unica di misurazioni che potrebbero spingere all'avanguardia della ricerca ambientale.
"Il team di OCO-3 vuole capire le piante e il loro ruolo nel ciclo del carbonio, ", afferma la scienziata del progetto OCO-3 Annmarie Eldering del Jet Propulsion Lab della NASA nel sud della California. "Si scopre che il nostro vicino di stazione spaziale ECOSTRESS sta esaminando come le piante rispondono allo stress. E poi c'è GEDI, che sta guardando quanto materiale vegetale è sul terreno. Gli scienziati che stanno pensando alle piante e al loro ruolo nel ciclo del carbonio sono super eccitati. Abbiamo sentito molte discussioni su come possiamo utilizzare tutti i dati insieme per comprendere meglio le piante".
Il sensore OCO-3 utilizza i riflessi della luce solare attraverso l'atmosfera per misurare le variazioni dell'anidride carbonica atmosferica, osservando variazioni inferiori a una singola parte per milione.
"La maggior parte dei gas come l'ozono, monossido di carbonio, o vapore acqueo doppia o tripla in concentrazione atmosferica quando sono inquinate, quindi è abbastanza facile da rilevare. Ma per l'anidride carbonica, è straordinariamente difficile vedere i cambiamenti, "dice Eldering.
Misurare questi piccoli cambiamenti potrebbe essere la chiave per rispondere a domande di vecchia data sull'anidride carbonica atmosferica.
"Fortunatamente per noi, le piante e l'oceano assorbono circa la metà delle emissioni di anidride carbonica generate dall'uomo ogni anno. Ma ci sono ancora misteri su come lo fanno, perché l'importo è diverso ogni anno, e come avverrà l'assorbimento in futuro, " dice Eldering. "I nostri dati hanno lo scopo di aiutare a rispondere a questo tipo di domande."
Anche lo stoccaggio e la rimozione del carbonio sono stati studiati sia all'interno che all'esterno della stazione. Il fotobioreattore ha esaminato se le microalghe potrebbero aiutare a chiudere il ciclo del carbonio nei sistemi di supporto vitale, e Kuwait's Experiment:E. coli C5 ha studiato l'effetto della microgravità sui batteri di E. coli che sono stati modificati per consumare anidride carbonica come fonte di cibo. Le immagini scattate dall'ex carico utile della stazione spaziale HICO hanno persino aiutato a sviluppare un algoritmo per rilevare le fioriture di alghe nocive. Le alghe svolgono un ruolo importante nel ciclo globale del carbonio, e le fioriture sono responsabili di gran parte dell'assorbimento di carbonio dell'oceano.
Con altri dispositivi come il tracciamento dell'ozono SAGE-III, ISS-LIS e ASIM monitoraggio fulmini, e TSIS che tracciano l'energia totale che fluisce nella Terra dal Sole, gli esperimenti della stazione fanno avanzare numerosi record e modelli climatici.
"Il cambiamento climatico presenta quella che è forse la più grande sfida ambientale dell'umanità, ", afferma l'ex ricercatore principale del TSIS e professore dell'Università del Colorado Boulder Peter Pilewskie. "Monitorare l'energia che fluisce in, entro, e fuori dal sistema è alla base della nostra capacità di capire come funziona il sistema climatico, riconoscere che sta cambiando, e identificare quei meccanismi responsabili del cambiamento climatico".
Station offre un servizio standardizzato, piattaforma capace di ospitare esperimenti di osservazione della Terra come TSIS. Delle dimensioni di un campo da calcio e dotato di numerosi punti di attacco, grande capacità di dati, e un grande alimentatore (destinato a diventare ancora più grande con l'imminente installazione dei pannelli solari iROSA, la stazione spaziale può ospitare un'ampia varietà di strumenti contemporaneamente.
La disponibilità di queste risorse ha reso la stazione un'ottima opzione dell'ultimo minuto per il team TSIS per mettere rapidamente in orbita il proprio carico utile. Dopo alcuni ritardi, il team stava affrontando un potenziale fallimento dei precedenti strumenti di tracciamento prima che TSIS potesse essere lanciato.
"Ha iniziato a diventare piuttosto terribile, perché l'accuratezza della registrazione del clima viene mantenuta al massimo livello possibile quando la registrazione dei dati è continua, " dice Pilewskie. "A causa della stazione spaziale, siamo stati in grado di continuare questo record."
Dopo che i ricercatori hanno appreso le basi della creazione di un carico utile per la stazione spaziale, possono applicare tale conoscenza a futuri progetti di stazioni. Pilewskie sta già lavorando al suo prossimo esperimento, CLARREO esploratore, programmato per il lancio nei prossimi anni.
"Il valore che abbiamo ottenuto dall'utilizzo di uno strumento su una stazione che doveva puntare in modo molto preciso non può essere sottovalutato, " dice Pilewskie. "Dobbiamo fare la stessa cosa con CLARREO Pathfinder, quindi stiamo usando alcuni degli stessi motori che usiamo per guidare gli strumenti TSIS."
CLARREO prevede di studiare il clima terrestre effettuando misurazioni della luce solare riflessa dalla Terra e dalla Luna con un'incertezza da cinque a dieci volte inferiore rispetto alle misurazioni dei sensori esistenti.
L'elemento umano
Non sono solo i sensori a monitorare il nostro pianeta dall'alto. Anche le persone lo fanno.
Le finestre della stazione spaziale offrono l'opportunità per la fotografia degli astronauti e la raccolta manuale dei dati climatici. Gli astronauti hanno preso più di 4 milioni di immagini della Terra dallo spazio (oltre 3,5 milioni dalla stazione spaziale), contribuendo a uno dei record più longevi di come la Terra è cambiata nel tempo. Le osservazioni della Terra dell'equipaggio attualmente supportano una serie di studi sull'illuminazione notturna urbana, monitoraggio di ghiacciai e vulcani, e studi dei processi atmosferici interessati da potenti eruzioni vulcaniche. Le immagini vengono utilizzate anche in indagini ecologiche, compreso un progetto collaborativo chiamato AMASS, che ha tracciato le rotte migratorie degli uccelli e gli effetti dei cambiamenti che si verificano lungo tali rotte.
Queste immagini supportano anche le attività di soccorso in caso di calamità per eventi come uragani e incendi. Dopo aver ricevuto la notifica si è verificato un disastro naturale, gli scienziati a terra determinano se l'equipaggio sarà in grado di vedere quell'area mentre orbita sopra la testa. Se è così, l'equipaggio cattura e invia immagini sulla Terra. Le immagini vengono quindi georeferenziate per l'utilizzo da parte delle squadre di pericolo a terra. Le immagini degli astronauti sono state utili per gli eventi di incendi boschivi, Per esempio, mostrando ai soccorritori dove sta andando il pennacchio di fumo.
Distribuzione oltre la stazione
La stazione estende il suo impatto sulla scienza del clima distribuendo CubeSats nell'orbita terrestre bassa. Questi dispositivi delle dimensioni di una scatola di scarpe, che contengono dimostrazioni tecnologiche o testano nuovi tipi di scienze del clima, lanciare alla stazione insieme a migliaia di libbre di altre indagini di ricerca e forniture di carico. Gli astronauti li scaricano e li preparano sulla stazione e poi li dispiegano fuori dalla camera di equilibrio della stazione.
"Molti dei nostri satelliti più piccoli, CubeSat, stanno ricevendo passaggi a causa della stazione spaziale. Questa è stata una grande risorsa per i piccoli programmi, specialmente le università oi centri della NASA che cercano di portare avanti alcuni piccoli progetti. CubeSats potrebbe essere il loro primo trampolino di lancio verso cose più grandi, " afferma Tom Woods, investigatore principale di TSIS e NanoRacks-MinXSS. "La stazione spaziale offre molte opportunità per portare queste cose più piccole nello spazio".
Più di 250 CubeSat sono stati rilasciati dalla stazione, inclusi molti payload incentrati sul clima. Per esempio:
Mentre il clima della Terra cambia, la Stazione Spaziale Internazionale guarderà dall'alto, contribuendo a fornire informazioni uniche necessarie per mantenere il nostro pianeta al sicuro.