Sensori meteorologici della NASA arruolati per tracciare i cicloni tropicali

Conosciuti con i nominativi di COWVR e TEMPEST, i due sensori meteorologici e dimostratori tecnologici, stanno dimostrando che strumenti scientifici più piccoli e meno costosi, possono giocare un ruolo importante nelle previsioni meteorologiche.

Caratterizzati da costi di costruzione contenuti e da dimensioni ridotte, essi sono stati inviati sulla Stazione Spaziale Internazionale nel dicembre 2021, per essere messi alla prova nell’esecuzione di alcuni degli stessi lavori svolti da satelliti più massicci e costosi. Entrambi i dispositivi hanno superato le aspettative durante le sessioni di test e stanno già inviando utili informazioni per le previsioni delle più devastanti delle tempeste: i cicloni tropicali.

COWVR (abbreviazione di Compact Ocean Wind Vector Radiometer) misura la velocità e la direzione del vento sulla superficie oceanica, mentre TEMPEST (Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems) fornisce delle misurazioni sul vapore acqueo nell’atmosfera. Entrambi gli strumenti fanno parte della missione Space Test Program-Houston 8 (STP-H8), ovvero una missione dimostrativa di tre anni finanziata dall’U.S. Space Force, la quale ha anche finanziato la costruzione di COWVR. TEMPEST è stato costruito dalla NASA come pezzo di ricambio per una missione precedente ed è stato riproposto dalla Space Force per la sua missione STP-H8.

Le immagini create dai dati raccolti dai due strumenti vengono utilizzate dal Joint Typhoon Warning Center statunitense per tracciare la posizione e l’intensità dei cicloni tropicali negli oceani Indiano e Pacifico. Per esempio, le immagini fornite da COWVR e TEMPEST sono state fra le fonti impiegate da un meteorologo del Typhoon Center di Pearl Harbor, Hawaii, per individuare la posizione del ciclone tropicale Mandous, che ha devastato il Golfo del Bengala al largo dell’India nel dicembre 2022.

Per diversi mesi, le immagini basate sui dati di COWR e TEMPEST sono state inviate al centro dal Naval Research Laboratory (NRL) di Monterey, California, il quale ha lavorato con la NASA per calibrare gli strumenti e convalidare i loro dati. I meteorologi hanno confrontato le immagini, valutando la loro influenza sulle previsioni e confrontandole con altre fonti di dati.

Informazioni affidabili e frequentemente aggiornate sulla posizione e sulla struttura delle tempeste, sulla velocità dei venti e sull’umidità, sono di importanza cruciale per la missione del centro di tracciamento dei cicloni tropicali che si formano fra la costa orientale dell’Africa e quella occidentale dell’America; un’area che include delle vaste aree di oceano aperto.

Più piccoli ed economici

Sia COWVR che TEMPEST, misurano le emissioni di microonde dall’atmosfera terrestre e dalla superficie, in quanto rispetto alle frequenze infrarosse e del visibile, le microonde offrono ai meteorologi una vista all’interno della struttura del ciclone tropicale in modo tale da riuscire a individuarne l’occhio, anche se nascosto dalle nubi.

L’idea per la missione dei due strumenti è nata una decina di anni fa, quando il Department of Defense (DoD) ha iniziato a considerare l’impiego di strumentazioni di nuova generazione che potessero sostituire quelli in uso al tempo, come il WindSat, un radiometro impiegato fino al 2020.

COWVR incorpora tecnologie e progetti sviluppati dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, per la serie di satelliti oceanografici Jason. Tuttavia con i satelliti Jason gli ingegneri dovevano correggere l’interferenza dovuta alla presenza del vapore acqueo atmosferico durante la misurazione dell’altezza della superficie del mare. Con COWVR, il vapore acqueo e il modo in cui si muove sono invece sotto controllo..

I radiometri meteorologici più grandi vengono spesso costruiti con dei dischi rotanti per allargare il campo di azione rispetto a uno strumento a puntamento fisso. Anche COWVR è dotato di un disco rotante, ma gli ingegneri del JPL sono riusciti a semplificarne la progettazione migliorandone l’efficienza energetica senza comprometterne le capacità.

Delle dimensioni di un mini frigo, l’apparecchiatura pesa 60 kg e necessita di circa 47 W per funzionare, all’incirca la stessa richiesta energetica del mini frigo. In comparazione, WindSat pesava 450 kg e consumava 350 W. Inoltre il budget per la progettazione e la costruzione di COWVR è stato di 24 milioni di dollari, all’incirca un quinto del costo sostenuto da WindSat.

La storia di TEMPEST è un po’ diversa, infatti questa unità era una rimanenza di scorta della missione della NASA del 2018 TEMPEST-D. Delle dimensioni all’incirca di una scatola per cereali, il suo peso è di circa 4 kg e richiede 6,5 W di energia ed è costato poco meno di 2 milioni di dollari. TEMPEST-D era un CubeSat dimostrativo gestito dai ricercatori della Colorado State University, dal JPL e dalla compagnia Blue Canyon Technologies.

Come ha spiegato Shannon Brown, principal investigator, ovvero responsabile scientifico di COWR al JPL, la NASA aveva sviluppato questi strumenti in modo che fossero compatti, semplici e con poche parti in movimento, e che usassero una tecnologia maturata nel corso di decenni. «Stiamo osservando che strumenti come questo possono lavorare bene, quanto i sensori operativi più costosi».

COWR e TEMPEST, sono in grado inoltre di inviare i propri dati sulla Terra più velocemente di alcuni altri strumenti attualmente in uso, permettendo agli scienziati e ai meteorologi di monitorare la rapida intensificazione con cui potrebbero svilupparsi determinate tempeste, sostanzialmente in tempo reale. «La maggior parte dei satelliti comunica solitamente con poche stazioni sparse per il mondo, e questo implica consumo di tempo. Questi dati potrebbero essere già vecchi di un paio di ore prima che raggiungano il suolo, poi devono anche essere elaborati» ha spiegato Brown.

COWVR e TEMPEST inviano i propri dati sulla Terra tramite la costellazione di satelliti ripetitori della NASA TDRS. «In sostanza i satelliti TDRS forniscono un flusso di dati diretto; quindi, quando gli strumenti sorvolano un grande uragano o un ciclone, si possono avere dei dati istantanei, cosa che generalmente non è possibile ottenere con il tradizionale sistema di trasmissione dei dati».

Tony Lee, uno dei responsabili scientifici della missione, ha spiegato che i satelliti attualmente in volo, che hanno sensori che misurano la direzione e la velocità dei venti sulla superficie oceanica, volano su orbite eliosincrone, e ciò implica che le misurazioni vengono fatte su una data posizione, solamente al mattino e solamente alla sera, lasciando dei buchi temporali nelle rilevazioni. L’orbita della Stazione Spaziale Internazionale permette ai due dimostratori tecnologici di effettuare i sorvoli a diversi orari del giorno, riducendo questi buchi temporali.

Separatamente dalla missione STP-H8, la NASA sta anche esplorando l’impiego del COWVR e del TEMPEST, oltre che degli altri piccoli satelliti simili a essi, per le proprie missioni meteorologiche.

E adesso?

L’ammontare di calore e umidità rilasciati dagli oceani influenzano le condizioni atmosferiche. Allo stesso modo, le condizioni atmosferiche, come per esempio velocità e direzione dei venti, influenzano le correnti oceaniche e la distribuzione del calore. Più gli scienziati impareranno su queste interazioni, meglio potranno comprendere come esse siano in grado di influenzare le condizioni meteorologiche a breve termine e il clima a lungo termine. Purtroppo, poter disporre di dati appropriati per studiare le varie interazioni può essere complicato.

«Normalmente, per studiare queste interazioni, si combinano le misurazioni di diversi satelliti che hanno differenti tempi di campionamento degli oceani e dell’atmosfera» ha detto Lee. «Questo disallineamento rende più difficile per gli scienziati comprendere tutte le interazioni».

Si spera che COWVR e TEMPEST, lavorando all’unisono, cioè facendo le loro misurazioni contemporaneamente e sulle stesse aree, possano riuscire a ottenere questi dati complementari nello stesso momento.

Qualora la missione dovesse essere considerata un successo, è ipotizzabile che le varie organizzazioni che si occupano di meteorologia possano lanciare tre o quattro piccoli satelliti, allo stesso costo di uno più grande e più complesso. Una costellazione di questi piccoli satelliti potrebbe essere in grado di eseguire delle misurazioni su una determinata area, più frequentemente di quello che potrebbe fare un singolo satellite, contribuendo a rifinire ulteriormente i modelli e le previsioni meteorologici.

Il Naval Research Laboratory ha inviato i dati raccolti da COWVR e di TEMPEST al U.S. National Hurricane Center, dove i meteorologi hanno già iniziato a valutarli, mentre il Joint Typhoon Warning Center intende analizzare più approfonditamente i dati di COWVR relativi alla velocità dei venti di superficie e alla loro direzione, per vedere se è possibile migliorare le previsioni dei cicloni tropicali. L’NRL sta inoltre continuando a valutare i dati grezzi dei due strumenti, impiegandoli nei modelli numerici meteorologici globali dell’U.S. Navy.

COWVR e TEMPEST sono stati lanciati il 21 dicembre 2021 dal Kennedy Space Center, verso la Stazione Spaziale Internazionale a bordo della Dragon Cargo di SpaceX, nella missione CRS-24 (Commercial Resupply Mission-24); di seguito i due strumenti sono stati collocati all’esterno, sulla piattaforma (Exposed Facility EF) del modulo laboratorio giapponese Kibo (Japanese Experiment Module JEM).

Fonti: NASA; NASA-JPL