Миналата есен ученият от НАСА Крис Бедка се впуска в урагана Хелене, за да тества устройство, което използва лазери за създаване на ултрадетайлни измервания на вятъра. Това може да се окаже ключът към по-доброто прогнозиране на бурите.

Новото устройство се нарича Aerosol Wind Profiler (AWP), като космическата агенция работи по него от около четири години. AWP използва Доплеровия ефект за създаване на триизмерни карти на ветровете над повърхността на Земята в реално време - данни, които досега бяха много трудни за получаване.

Бедка е главният разработчик на AWP в Изследователския център на НАСА в Лангли и е прекарал повече от 100 часа във въздуха, тествайки устройството в сътрудничество с Националната океанска и атмосферна администрация на САЩ (NOAA), която управлява Националната метеорологична служба (NWS). Той обяснява пред Fast Company, че AWP може да бъде липсващото звено в способностите на метеорологичните агенции да картографират точно тежки метеорологични явления като урагани и гръмотевични бури.

Недостатъците на сегашното събиране на данни за вятъра

За да изготвят прогнози за тежки метеорологични явления, агенции като NWS събират огромен набор от данни, включително атмосферна температура, нива на влажност и модели на налягане, които обикновено се получават от сателитни показания. Моделите на вятъра, както на, така и над Земята, са друга част от цялостния пъзел.

Но когато става въпрос за създаване на модел на вятъра, има няколко ограничения. Бедка казва, че ако синоптиците се нуждаят от измервания на вятъра в близост до Земята, е сравнително лесно да се направят такива с помощта на сензори.

„Но най-важното за прогнозирането на времето е да имаме представа за триизмерната картина на вятъра - не само на Земята, но и на много километри над нас, тъй като те оформят заедно времето, което ние усещаме долу“, казва Бедка.

Учените правят важна крачка напред в изучаването на слънчевия вятър

Понастоящем, за да получат представа за триизмерната картина на вятъра, синоптиците използват предимно метеорологични балони. Те дават точни данни, казва Бедка, но има само около 1300 площадки за изстрелване по целия свят, което означава, че данните от тях са ограничени.

Друг инструмент, наречен геостационарни спътници, може да използва снимки на облачната покривка и моделите на атмосферната влага, за да изчисли векторите на вятъра, но само в горната част на облака (слоя, в който се намира влагата). Това означава, че 3D картината все още липсва.

Много експерти смятат, че инструменти като AWP са „липсващото звено“ за решаване на този проблем.

Как AWP използва лазери, за да направи 3D карта на вятъра

Преди да направят подробна 3D карта на вятъра, учените трябва да разберат два основни фактора: колко бързо се движат ветровите течения и в каква посока. AWP прави това, като проследява движението на частици - включително малки парченца облачна материя, прах, дим, замърсяване и морска сол, които се носят в атмосферата, за да види как вятърът ги разнася в даден момент от време.

За да се улови движението на тези частици, AWP се монтира на самолет с наблюдателни отвори под него. Оттам инструментът излъчва 200 импулса лазерна енергия в секунда към атмосферата в две противоположни посоки, където те се разсейват и отразяват от частиците. Това разсейване предизвиква измерима промяна в дължината на вълната на лазерния импулс - явление, известно още като ефект на Доплер.

„Вероятно вече сте чували за ефекта на Доплер и сте го изпитвали сами“, казва Бедка. „Чувате линейка, която идва към вас, и на едно определено разстояние звучи много високо, а след това, когато минава покрай вас и се отдалечава, чувате промяна на височината на звука - това се дължи на ефекта на Доплер. Доплеровият лидар за вятъра се държи по аналогичен начин“.

Казано по-просто, променените „честоти“ на лазерната светлина, която се отразява от частиците, дават на AWP информацията, необходима за изчисляване на скоростта и посоката на вятъра. Инструментът помага дори за едновременно измерване на условията на различни височини в атмосферата. След това всички тези данни могат да бъдат обединени, за да се създаде пълна 3D карта на вятъра.

Как най-високият небостъргач в Тайван устоява на природните бедствия

AWP преминава през урагана Хелене

През 2022 г. NOAA отправя запитване за нови технологии за точно измерване на вятъра, което е постоянно предизвикателство за агенцията при опитите ѝ да прогнозира тежки метеорологични условия. Тъй като екипът на Бедка току-що е приключил с прототипа на AWP, той предлага кампания за самолетни полети, които да потвърдят ефективността на инструмента.

NOAA се съгласява да финансира предложението и миналата есен Бедка лети повече от 100 часа в своеобразна въздушна лаборатория, инсталирана в самолета Gulfstream III на НАСА. Лабораторията е оборудвана с AWP и Високоскоростната лидарна обсерватория (HALO) на НАСА - друг инструмент, създаден за измерване на водните пари, аерозолите и свойствата на облаците. По време на кампанията AWP и HALO работят заедно, за да създадат ултрадетайлни 3D карти на моделите на вятъра и аерозолните слоеве. Бедка има за цел да събере данни от възможно най-широк спектър от метеорологични условия - и, както се оказва, това включва урагана Хелене.

Тъй като той е сравнително добре предсказан, екипът на Бедка има време да планира маршрут на полета, който да позволи на AWP да измери „възможно най-близо до центъра на бурята и най-високите ветрове, които ни бяха достъпни“. Като се има предвид ограниченият шестчасов полет на самолета, ученият и екипажът прелитат през краищата на урагана.

Бедка, който е летял с няколко самолета на НАСА през интензивни гръмотевични бури, казва, че условията са били неспокойни, но не прекалено тежки. По време на ураганния полет екипът му успява да събере богата база данни от измервания на вятъра, които доказват потенциалната ефективност на AWP по време на тежки метеорологични условия.

Какво следва за AWP

Засега AWP е само във фази на тестване, но в момента НАСА работи за неговото по-широко разпространение. Това ще включва привличането на агенция или търговски партньор, като например NOAA, който е готов да инвестира допълнително в технологията - в идеалния случай, като я адаптира за използване на по-малки спътници, вместо да я вдига на самолети. Понастоящем AWP е с размерите на масичка за кафе, но за да се побере на кораб, предназначен за космоса, изследователите ще трябва да го свият до около една десета от сегашния му размер, казва Бедка.

В идеалния случай НАСА ще може да създаде „съзвездие“ от AWP в орбита около Земята, което ще може да измерва ветровете едновременно по цялото земно кълбо. С такъв широк спектър от данни моделите за прогнозиране на екстремни метеорологични условия ще станат значително по-точни.

„Силните бури не се появяват просто така от ясното синьо небе в произволен ден“, казва Бедка. „Те се образуват, защото всички съставки се подреждат така, че да станат толкова интензивни, колкото са. Това, което се опитваме да направим с тази технология, е да измерим ветровете с толкова пространствени и вертикални подробности, колкото позволява лазерната технология. Вече сме установили, че когато тези данни се включат в моделите за прогнозиране на времето, те имат наистина голямо въздействие“.