Oito satélites do tamanho de uma maleta voando em uma fileira podem ser a chave para melhorar as previsões da velocidade do vento de um furacão - detectando se ele atingirá a terra na categoria 1 ou na categoria 5. Frota do Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) da NASA, lançado em 2016, foi projetado para mostrar se os mesmos sinais de GPS que seu telefone usa para navegação podem ser usados ​​para medir ventos profundos em um furacão ou tufão. A resposta parece ser um retumbante sim.

Os modelos de previsão do tempo ficaram muito melhores em prever a trajetória futura de um furacão ou tufão, mas eles não melhoraram na previsão da velocidade máxima do vento, que os cientistas chamam de intensidade. Isso porque esses gigantes tropicais são guiados por forças externas, como ventos regionais, mas sua intensidade depende das forças dentro de cada tempestade. E embora muitos satélites possam ver os ventos externos, eles não podem ver através das nuvens espessas e da chuva de um furacão.

O principal investigador do CYGNSS, Christopher Ruf, da Universidade de Michigan em Ann Arbor, explicou:"Para prever a intensidade, você tem que medir a velocidade do vento bem no meio da tempestade e, até CYGNSS, não havia outra maneira de fazer isso além de voar em aviões Hurricane Hunter. "

Os novos dados do CYGNSS provaram ser uma excelente combinação com os dados do Hurricane Hunter coletados ao mesmo tempo durante os furacões Maria de 2017, Irma e Jose. Os oito pequenos satélites - orbitando com apenas um intervalo de 12 minutos entre cada um - coletaram mais dados em cada tempestade do que durante um voo do Hurricane Hunter.

Como ver através da chuva e das nuvens

Para ver o que está na atmosfera, muitos satélites de observação da Terra enviam sinais eletromagnéticos com comprimentos de onda de apenas frações de polegada de comprimento. Para esses sinais de comprimento de onda curto, uma gota de garoa, partícula de poeira ou qualquer outra partícula no ar é um obstáculo impenetrável. Mesmo que os comprimentos de onda sejam maiores do que essas partículas minúsculas, eles são próximos o suficiente em tamanho que os sinais ricocheteiam nas partículas, como uma bola de bilhar colidindo com outra bola. Ao "ler" esses sinais dispersos, os pesquisadores podem discernir a forma e a localização das nuvens e outros obstáculos que os sinais encontraram.

Em outras palavras, comprimentos de onda curtos permitem que os pesquisadores vejam uma tempestade, mas não através dela.

CYGNSS, por outro lado, usa sinais de GPS. Seu comprimento de onda é de 19 centímetros - muito mais longo do que os comprimentos de onda curtos que a maioria dos instrumentos de satélite usa ou qualquer gota de chuva já medida. Nesse comprimento de onda, Ruf disse, "Você não vê uma gota de chuva. Você apenas passa por ela." Isso permite ao CYGNSS ver através de um furacão e medir os ventos na superfície do oceano.

Satélites GPS, operado pela Força Aérea dos EUA, estão em uma órbita muito mais alta do que a frota CYGNSS. Enquanto um satélite GPS voa sobre um ciclone tropical, seus sinais passam desimpedidos pela tempestade e ricocheteiam na superfície do oceano. Em sua órbita inferior, Os receptores GPS voltados para baixo do CYGNSS são capazes de interceptar os sinais que retornam para cima. Distorções nesses sinais refletidos mostram como o mar está agitado, permitindo aos pesquisadores calcular a velocidade do vento que causou a rugosidade.

Transformando sinais em medições

Os oito pequenos satélites da CYGNSS funcionaram bem desde o lançamento, mas os cientistas da missão encontraram um grande obstáculo no caminho para processar os sinais de GPS em dados de velocidade do vento. Ao projetar a missão, os cientistas presumiram que os sinais de GPS são transmitidos com intensidade constante. Mas quando os cientistas começaram a coletar dados, eles descobriram que a potência do sinal da maioria dos satélites GPS muda durante cada órbita e que o grau de mudança difere de satélite para satélite. Essas variações prejudicaram as medições de ventos fortes dos satélites CYGNSS em até 18 km / h (18 km / h).

"Passamos um ano ou mais trabalhando no problema, e finalmente descobrimos, "Ruf disse." Basicamente, a Força Aérea aumenta a potência quando passa por certas partes do mundo onde os bandidos estão tentando bloquear os sinais. ”Sinais mais fortes são mais difíceis de bloquear.

Uma vez que a equipe CYGNSS entendeu o problema, eles encontraram uma solução alternativa. Cada satélite CYGNSS carrega não apenas um receptor GPS primário para coletar sinais que saltam da superfície da Terra, mas também um secundário, receptor menor para localização e rastreamento. A equipe reprogramou os receptores menores para medir a intensidade do sinal de transmissão que chega de cima, o que deu a eles as informações de que precisavam para processar corretamente os sinais que retornavam de baixo.

Com esse problema resolvido, os pesquisadores poderiam se voltar para a tarefa de avaliar como os dados do CYGNSS afetariam as previsões de furacões.

Experimentar uma versão de pesquisa do mesmo modelo de furacão que a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA) usa para fazer previsões, os cientistas adicionaram dados CYGNSS às reconstruções de duas das notáveis ​​tempestades de 2017, furacões Harvey e Irma. A adição de dados CYGNSS produziu previsões mais realistas, não só da intensidade das tempestades, mas de suas trilhas e estrutura. Outros estudos mostraram melhorias semelhantes nas previsões de diferentes tempestades.

Um bônus aquático inesperado

Para a surpresa de Ruf, CYGNSS provou ter uma aplicação imprevista. A equipe CYGNSS planejou desligar rotineiramente seus receptores quando os satélites sobrevoassem a terra, mas a equipe decidiu simplificar suas operações fazendo com que os satélites coletassem dados o tempo todo. Dois alunos de pós-doutorado no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, decidiu olhar para os dados de toda a terra. "Foi realmente sorte tanto quanto qualquer outra coisa, mas acontece que existem todos os tipos de ciência interessantes que você pode fazer com os dados da terra para medir a umidade do solo e inundações, "Ruf disse.

Como os ex-alunos, Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research in Boulder, Colorado) e Hugo Carreno-Luengo (Barcelona, Espanha), documentaram o valor dos dados, A NASA agora estendeu oficialmente o escopo da missão e convidou a equipe científica a redefinir os objetivos da missão. Pode haver outras aplicações esperando para serem descobertas enquanto os oito pequenos satélites CYGNSS continuam observando ventos ocultos em tempestades tropicais.