Em vez de olhar para o céu em busca de explosões brilhantes de cores ardentes, uma equipe de pesquisa passou quatro de julho de 2018 observando globos de lava derretida de um avião paraquedista. Aparafusado a seu avião estava um novo instrumento da NASA projetado para detectar cada vez que o vulcão respirava, à medida que sua caldeira aumentava e desinflava.

A equipe realizou vários voos acima do vulcão Kilauea, no Parque Nacional dos Vulcões do Havaí, de 3 a 5 de julho, 2018, para demonstrar como um novo instrumento pode abrir caminho para uma futura constelação de pequenos satélites dedicados a monitorar os impactos da atividade vulcânica, terremotos e mudanças na superfície da terra, disse Lauren Wye, o investigador principal que liderou e concluiu recentemente o desenvolvimento do instrumento na SRI International em Menlo Park, Califórnia.

Um mapa global detalhando as mudanças na elevação do solo ao longo do tempo pode ajudar os cientistas a identificar o movimento do solo antes, durante e após terremotos e erupções vulcânicas, e ajudar a identificar os impactos de inundações e bombeamento de águas subterrâneas. "The CubeSat Imaging Radar for Earth Sciences, ou CIRES, pode ajudar os tomadores de decisão e gerentes de emergência a obter observações mais cedo após um evento perigoso para que estejam mais bem preparados para lidar com o socorro em desastres, "Wye disse.

Embora a erupção de Kilauea tenha impactado mais de 50 milhas quadradas de terra, deformação do solo, ou uma mudança na elevação do terreno, nem sempre é perceptível ao olho humano. Tecnologia altamente especializada, como o novo instrumento de Wye, pode localizar e registrar essas mudanças.

O CIRES está equipado com um Radar Interferométrico de Abertura Sintética (InSAR) banda S. O radar de banda S é capaz de penetrar na vegetação e atingir o solo. O CIRES obtém duas imagens de radar de uma área específica de aproximadamente a mesma posição no espaço em dois momentos diferentes e, em seguida, processa as duas imagens para determinar a diferença entre elas.

As Academias Nacionais de Ciências, Pesquisa da década de 2017 de Engenharia e Medicina, "Thriving on Our Changing Planet:A Decadal Strategy for Earth Observations from Space, "recomenda que a NASA use medições InSAR para ajudar a resolver a dinâmica dos terremotos, vulcões, deslizamentos de terra, geleiras, água subterrânea e interior da Terra.

Uma constelação de pequenos satélites InSAR poderia funcionar em conjunto com a NASA-ISRO SAR Mission (NISAR), que é o primeiro satélite InSAR dedicado da NASA atualmente em desenvolvimento. Vários pequenos satélites podem coletar dados frequentes em processos em rápida evolução, como erupções vulcânicas, terremotos e deslizamentos de terra, adicionando dados globais sistemáticos do NISAR.

Era uma vez um radar

Tradicionalmente, os pesquisadores monitoram a deformação do solo com sensores no solo e o Sistema de Posicionamento Global (GPS). As medições InSAR são complementares às medições de solo e muitas vezes podem orientar como os sensores de solo são instalados. "Os dados do InSAR revolucionaram a forma como olhamos para terremotos e vulcões, "Kyle Anderson, um geofísico do U.S. Geological Survey, disse.

Em órbita, uma série de pequenos satélites InSAR podiam espiar para baixo e registrar mudanças na deformação do solo. "Vulcões costumam inflar com magma antes de entrar em erupção, "Disse Anderson. Anderson trabalhou com a equipe CIRES em Kilauea." Embora seja difícil prever o tamanho ou a duração da erupção, nós podemos dizer, este vulcão começou a inflar e há uma probabilidade maior de entrar em erupção. "

O projeto CIRES começou em janeiro de 2015 na SRI International com financiamento do Earth Science Technology Office da NASA para desenvolver o hardware eletrônico do radar do instrumento ao longo de dois anos. Em seguida, recebeu três anos adicionais de financiamento para preparar o radar para o espaço, demonstrar os recursos de imagem via aeronave, incluindo aeronaves a bordo e pilotadas remotamente, e avançar uma antena implantável no espaço para completar o instrumento.

"InSAR tem sido particularmente útil para melhor compreensão de vulcões em áreas remotas, "Disse Anderson. Por exemplo, a tecnologia ajudou os cientistas a notar a deformação perto do aglomerado de vulcões Three Sisters no centro de Oregon de 1997 a 2001. O InSAR localizou deformação em uma área que viu pela última vez uma erupção 1, 500 anos atrás. Por causa das mudanças observadas, o USGS instalou sismômetros, Estações GPS e equipamentos de monitoramento de gás para verificar outros sinais de atividade. Em 2004, esses instrumentos detectaram um enxame de 300 pequenos terremotos.

"O InSAR permite que você obtenha amplas áreas de cobertura e veja como uma parte da caldeira do vulcão está mudando em relação a outra parte, "Patrick Rennich, o processamento de sinal CIRES e líder de projeto de experimento, disse. Tipicamente, os pesquisadores colocam um número limitado de sensores GPS em partes específicas do vulcão para monitorar qualquer movimento. "CIRES deve ser capaz de cobrir toda a caldeira, "Rennich disse.

Passos para o espaço

Durante o desenvolvimento, "a equipe teve muitos soluços, "Wye disse. No entanto, a cada soluço, como um voo de teste atrasado, a equipe inovou. "Isso levou a muitos exercícios divertidos, "Wye disse.

Em um desses exercícios, a equipe prendeu o instrumento a um carro em movimento. Eles dirigiram o carro, que eles apelidaram de "CarSAR, "ao longo de estradas elevadas na Bay Area do norte da Califórnia no início de 2018 para ver como o CIRES coletaria informações em um vale abaixo." Mas realmente precisávamos subir para testar nossos dados, "Wye disse.

Quando o vulcão Kilauea começou a entrar em erupção em maio de 2018, eles viram sua oportunidade. Em 4 de julho, 2018, a lava estava fluindo e a caldeira do vulcão estava entrando em colapso. CIRES obteve SAR com sucesso, ou imagens instantâneas, mas não foi capaz de obter o InSAR, ou imagens de comparação, sobre Kilauea, em parte porque, "Era difícil voar exatamente no mesmo caminho todos os dias, "Rennich disse.

Os voos sobre Kilauea, entre outros testes de campo, ajudou a equipe a aprender o que funcionou e o que não funcionou durante o desenvolvimento do instrumento. Eles foram capazes de otimizar o CIRES para melhorar seu gerenciamento de energia, Tamanho, recursos do sensor e capacidade de resistir ao calor.

Em dezembro de 2019, a equipe novamente amarrou CIRES, com hardware e software atualizados, para um avião normalmente reservado para pára-quedismo comercial e voou 10, 000 pés acima de um centro de treinamento do exército em Indiana. "Acontece que os operadores de paraquedismo se sentem muito confortáveis ​​voando com a porta aberta, "Rennich disse.

A equipe voou CIRES acima de uma vila simulada inundada no Centro de Treinamento Urbano de Muscatatuck para entender melhor as assinaturas de radar em um ambiente urbano inundado. O vôo também produziu dados que poderiam melhorar os algoritmos que quantificam a extensão da inundação e danos relacionados. O Escritório de Tecnologia da Terra e o Programa de Desastres da NASA ajudou a financiar os voos e a análise dos dados do CIRES.

"Ao montar o CIRES em um avião, poderíamos voar em diferentes ângulos e ver como as diferentes orientações dos edifícios afetam a forma como aparecem nas imagens de radar devido a inundações, "Sang-Ho Yun, um geofísico e co-investigador deste projeto no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, disse. "A inundação é como um fantasma, "Yun disse; sua natureza efêmera torna difícil avaliar a precisão das técnicas de mapeamento de enchentes.

A equipe também realizou um experimento em que controlou o movimento no solo para testar o CIRES. Durante o vôo de Indiana, "Um de nossos colegas no solo levantaria refletores de metal prateado de meio centímetro a centímetro para mostrar que podemos detectar esse nível de mudança, "Disse Rennich. Isso ajudou a provar que o CIRES coletou dados InSAR precisos.

Os voos foram bem-sucedidos em parte porque a equipe conseguiu voar CIRES ao longo do mesmo caminho várias vezes consecutivas, o que eles não puderam fazer no Havaí. “Implementamos um sistema de navegação piloto melhor, "Rennich disse, o que permitiu que a equipe voasse a poucos metros de onde haviam voado no dia anterior. No Havaí, o eles voaram aproximadamente 500 pés do curso do dia anterior.

"Quando você está no espaço, trajetória é muito mais repetível, "Rennich disse, porque cada satélite está em uma previsível, curso rastreável.

Para a equipe fazer CIRES, ou um instrumento semelhante ao CIRES funciona no espaço, eles precisariam estender significativamente sua antena, de sessenta a três metros de largura, Rennich disse. "Todo o resto permanece praticamente o mesmo, " ele disse.

"Pequenos satélites, semelhante em escopo ao CIRES, pode ser um sistema de sonho do ponto de vista de resposta rápida a desastres, "Yun disse. Embora pequenos satélites, como CIRES, não será capaz de obter a mesma precisão que sistemas maiores, eles podem obter dados com mais frequência quando ocorre um desastre. "Com pequenos satélites, podemos atingir esse objetivo de maneira econômica, "Yun disse.