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Dopo essere stati installati sulla Stazione Spaziale Internazionale, due piccoli strumenti progettati e costruiti presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California sono stati alimentati il 7 gennaio e hanno iniziato a raccogliere dati sui venti oceanici della Terra e sul vapore acqueo atmosferico, informazioni critiche richieste per le previsioni meteorologiche e marine. Nel giro di due giorni, gli strumenti Compact Ocean Wind Vector Radiometer (COWVR) e Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems (TEMPEST) avevano raccolto dati sufficienti per iniziare a produrre mappe.
COWVR e TEMPEST sono stati lanciati il 21 dicembre 2021, con la 24a missione di rifornimento commerciale di SpaceX per la NASA. Entrambi gli strumenti sono radiometri a microonde, che misurano le variazioni delle emissioni naturali di microonde dalla Terra. Parte dello Space Test Program-Houston 8 (STP-H8) della US Space Force, gli strumenti sono stati progettati per dimostrare che possono raccogliere dati di qualità paragonabile agli strumenti più grandi che attualmente operano in orbita.
Questa nuova mappa di COWVR mostra le emissioni di microonde dalla Terra a 34 gigahertz attraverso tutte le latitudini visibili alla Stazione Spaziale (da 52 gradi nord a 52 gradi sud). Questa particolare frequenza a microonde fornisce ai meteorologi informazioni sulla forza dei venti sulla superficie dell'oceano, la quantità di acqua nelle nuvole e la quantità di vapore acqueo nell'atmosfera.
Se questi strumenti continueranno ad avere successo, apriranno la strada a una nuova era in cui i satelliti a basso costo completeranno la flotta di satelliti meteorologici esistente. I radiometri hanno bisogno di un'antenna che ruoti in modo da osservare un'ampia fascia della superficie terrestre invece di una linea stretta. In tutti gli altri radiometri a microonde spaziali, non solo l'antenna ma anche il radiometro stesso e l'elettronica che li accompagna ruotano circa 30 volte al minuto.
Ci sono buone ragioni scientifiche e ingegneristiche per un progetto con così tante parti rotanti, ma è una sfida mantenere stabile un veicolo spaziale quando c'è così tanta massa in movimento. Inoltre, il meccanismo che passa potenza e dati tra i lati rotanti e quelli fissi dello strumento si è rivelato dispendioso in termini di tempo e difficile da costruire.
Con un peso di circa 57,8 chilogrammi, COWVR ha meno di un quinto della massa del radiometro a microonde utilizzato dall'esercito americano per misurare i venti oceanici. Meno di un terzo della sua massa rotante. Per evitare la necessità di un meccanismo separato che trasferisca potenza e dati dalla rotazione alle parti stabili, Brown ha montato tutto ciò che deve girare su un giradischi.
Lui e il suo team hanno reso possibili altre innovazioni progettuali aumentando la complessità dell'elaborazione dei dati richiesta, in altre parole, trovando soluzioni software alle sfide hardware. Ad esempio, il team ha sostituito una parte dello strumento chiamata "bersaglio caldo", utilizzata per calibrare le misurazioni di polarizzazione del radiometro, con una fonte di rumore che genera segnali polarizzati noti. Al termine della calibrazione, questi segnali noti possono essere rimossi come qualsiasi altro rumore in una trasmissione dati.
Lo strumento di accompagnamento di COWVR, TEMPEST, è il prodotto di decenni di investimenti della NASA nella tecnologia per rendere l'elettronica legata allo spazio più compatta. A metà degli anni 2010, l'ingegnere del JPL Sharmila Padmanabhan ha riflettuto su quali obiettivi scientifici potevano essere raggiunti confezionando un sensore compatto in un CubeSat, un tipo di satellite molto piccolo spesso utilizzato per testare nuovi concetti di progettazione a basso costo. Le nuove misurazioni potrebbero fornire maggiori informazioni su come crescono le tempeste.
Il design di Padmanabhan è stato sperimentato per la prima volta nello spazio dal 2018 allo scorso giugno. Quel CubeSat, noto come TEMPEST-D ("D" per "dimostrazione"), ha misurato il vapore acqueo nell'atmosfera e ha catturato immagini di molti grandi uragani e tempeste. Il TEMPEST appena distribuito ha circa le dimensioni di una grande scatola di cereali e pesa meno di 1,3 chilogrammi, con un'antenna di circa 15 centimetri di diametro.
Le dimensioni dell'antenna impongono che TEMPEST possa osservare al meglio solo le lunghezze d'onda a microonde più corte sensibili al vapore acqueo, circa 10 volte più corte di quelle percepite da COWVR. Un'antenna più piccola "corrisponde" meglio alle lunghezze d'onda corte, in modo simile al modo in cui la colonna d'aria corta di un flauto è adatta per lunghezze d'onda corte del suono (note alte), mentre la colonna d'aria lunga di una tuba è migliore per le lunghezze d'onda lunghe delle note basse.
I dati combinati di COWVR e TEMPEST forniscono la maggior parte delle stesse misurazioni disponibili da grandi radiometri a microonde utilizzati per le osservazioni meteorologiche. Gli strumenti sono stati finanziati dalla US Space Force and Navy, ma anche gli utenti di altre agenzie, università e rami dell'esercito sono interessati. Questi scienziati stanno già lavorando su progetti di missioni che sfrutterebbero le nuove tecnologie di sensori a microonde a basso costo per studiare domande di vecchia data come il modo in cui il calore proveniente dall'oceano alimenta i modelli meteorologici globali.