Как NASA изучает ураганы?

Ураганы — самые мощные погодные явления на Земле. Экспертиза NASA в области космоса и научных исследований способствует созданию важных услуг для населения, предоставляемых другими федеральными агентствами, например, прогнозированию ураганов.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национальный центр по ураганам (NHC) используют множество инструментов для предсказания путей этих штормов. Для точного прогноза ученым необходим огромный объем данных. Спутники NASA, компьютерное моделирование, приборы, самолеты и полевые миссии вносят свой вклад в эту информацию, давая ученым лучшее понимание природы ураганов.

Роль NASA в исследованиях

Роль NASA как исследовательского агентства заключается во внедрении новых типов наблюдательных возможностей и аналитических инструментов для изучения фундаментальных процессов, управляющих ураганами, и помощи во внедрении этих данных в прогнозы. NASA сотрудничает с другими агентствами, чтобы страна могла использовать все доступные возможности.

"До появления спутников и самолетов ураганы могли уничтожить целые города, как ураган "День труда" в Ки-Уэсте в 1935 году", — говорит Гейл Скофроник-Джексон, научный руководитель миссии NASA по глобальному измерению осадков (GPM) в Центре космических полетов имени Годдарда. "Вы не имели бы понятия о приближении урагана, пока не стало бы слишком поздно".

Ураганы в Атлантическом океане могут формироваться, когда грозы из Субсахарской Африки движутся на запад вместе с областями пониженного давления. Эти ложбины известны как африканские восточные волны. Теплый влажный воздух поднимается в грозовых облаках, затягивая новые воздушные массы внутрь. Как фигуристка, прижимающая руки к телу для ускорения вращения, этот движущийся внутрь воздух увеличивает вращение внутри облака. Двигаясь над теплой Атлантикой, этот цикл повторяется ежедневно и, в благоприятной среде, может ускориться, создавая мощный вихрь, питаемый теплом океана.

NASA использует целый арсенал приборов, чтобы больше узнать о развитии этих штормов. Эти устройства находятся на орбите на ряде космических аппаратов, включая Aqua, Terra, обсерваторию GPM, спутник NASA-NOAA Suomi NPP, Calipso, Jason-2 и CloudSat.

"Обычно на каждом космическом аппарате установлено несколько приборов с различными, часто дополняющими друг друга функциями", — говорит Эрик Мойер, руководитель операций в области наук о Земле в Центре Годдарда. "Мы можем видеть развитие шторма изо дня в день с помощью спутников Terra и Aqua — утренний и дневной вид каждой штормовой системы, каждый день".

Что изучает NASA

Эти приборы анализируют различные аспекты штормов: интенсивность осадков, скорость приповерхностного ветра, высоту облаков, тепло океана, а также температуру и влажность окружающей среды. Наблюдение за этими факторами помогает определить потенциал формирования или усиления шторма. Эти данные также позволяют метеорологам точнее предсказывать место, время и силу удара урагана по суше.

Прибор NASA RapidScat на борту Международной космической станции измеряет скорость приповерхностного ветра над океаном и используется для сбора данных о тропических циклонах. Он может показать, где в урагане возникают самые сильные ветры. RapidScat продолжает долгую спутниковую запись этих наблюдений, начатую спутником NASA QuikScat.

Для прогнозирования траектории и силы урагана ученые должны полностью понимать его природу. Это означает, что метеорологи должны заглянуть внутрь самого облака.

"Изучение структуры облаков помогает нам понять структуру и местоположение шторма, что улучшает наши прогнозы", — говорит Майкл Бреннан, старший специалист по ураганам в Национальном центре по ураганам NOAA. "Мы в значительной степени полагаемся на пассивные микроволновые радиометры спутников, чтобы увидеть, что происходит в ядре шторма".

Пассивные микроволновые радиометры на борту миссий GPM и Suomi NPP могут "заглядывать" сквозь облачный покров, позволяя ученым наблюдать, где в облаках происходит активное движение воды.

"Подобно тому, как врач использует рентген, чтобы понять, что происходит в теле человека, наши радиометры могут проникать сквозь облака и понимать структуру циклона", — говорит Скофроник-Джексон. "Мы узнаем количество жидкой воды и падающего снега в облаке. Тогда мы понимаем, сколько воды может выпасть на сушу и вызвать наводнения".

Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование — еще один мощный исследовательский инструмент NASA.

Офис глобального моделирования и ассимиляции данных (GMAO) NASA работает над улучшением понимания ураганов и оценкой моделей и процедур. GMAO помогает выявить недостающую информацию и определить, какие услуги можно добавить для помощи в будущих исследованиях и прогнозировании ураганных систем.

По мере того как NASA запускает более совершенные инструменты для наблюдения за Землей, команды создают модели со все более высоким разрешением. Возможность усваивать такие данные, или процедура ассимиляции данных, возрастает. Каждый новый прибор дает ученым и моделлерам более близкий и разнообразный взгляд на тропические циклоны. Чем выше разрешение моделей и возможности систем ассимиляции данных, тем легче использовать данные спутниковых приборов и определять интенсивность и размер урагана с точки зрения, например, поля ветра и протяженности облачности.

Воздушные миссии

NASA также проводит полевые миссии для изучения ураганов. С арсеналом приборов — от радиометров, измеряющих уровень влажности, и лидаров, измеряющих аэрозоли, влажность и ветер, до систем зондирования (dropsondes) для измерения высокоразрешающих профилей температуры, давления, влажности и ветра, и доплеровских радиолокационных систем для трехмерного картирования осадков и ветров внутри штормов. Эти инструменты отслеживают структуру и среду ураганов и тропических штормов по мере их развития.

Последней полевой миссией NASA по изучению ураганов была "Миссия по наблюдению за ураганами и сильными штормами" (HS3). В течение трех лет подряд миссия HS3 исследовала процессы, лежащие в основе формирования ураганов и изменения их интенсивности в бассейне Атлантического океана. В миссии использовался самолет Global Hawk — высокоавтономный беспилотный аппарат, способный совершать полеты длительностью до 26 часов на высотах более 55 000 футов (≈16.8 км). Вылетая с Уоллопсского испытательного комплекса в Вирджинии, Global Hawk мог покрыть весь Атлантический океан, проводя измерения штормов на ранних стадиях в центральной или восточной Атлантике или проводя 12-18 часов над штормами в западной Атлантике.

Будущая миссия

В 2016 году NASA запустило "Циклонную глобальную навигационную спутниковую систему" (CYGNSS) — группировку из восьми малых спутников. CYGNSS будет детально исследовать внутреннее ядро ураганов, чтобы лучше понять их быстрое усиление. Одно из преимуществ CYGNSS — возможность получать частые измерения внутри штормов. Это позволяет системе точно измерять скорость океанского ветра как внутри, так и вблизи глаза шторма на протяжении всего жизненного цикла тропических циклонов. Цель — улучшить прогнозы интенсивности ураганов.

Данные и исследования NASA позволяют ученым наблюдать фундаментальные процессы, управляющие ураганами. Метеорологи включают эти спутниковые, авиационные и компьютерные моделирующие данные в прогнозы в США и по всему миру.