NASA modeluje wiatr w trójwymiarze. Pan Pogodynka się ucieszy

- Brakuje nam globalnych pomiarów wiatru ponad powierzchnią Ziemi - wyjaśnia główny badacz projektu AWP z Centrum Badawczego NASA Langley w Hampton w Wirginii Kris Bedka. Obecnie pomiary wiatru pochodzą głównie z komercyjnych samolotów oraz balonów meteorologicznych wypuszczanych maksymalnie dwa razy dziennie z zaledwie 1300 stacji na całym świecie. Z kosmosu wiatr jest szacowany poprzez śledzenie ruchu chmur i pary wodnej na zdjęciach satelitarnych.

Problem pojawia się, gdy niebo jest bezchmurne lub gdy wzorce pary wodnej są trudne do śledzenia - wtedy meteorolodzy pozostają praktycznie bez wiarygodnych danych. AWP ma wypełnić te luki, dostarczając szczegółowych, trójwymiarowych profili wiatru nawet w najtrudniejszych warunkach.

Czytaj też:

AWP to nie zwykły instrument pomiarowy. To zaawansowany koherentny lidar wiatrowy Dopplera, wykorzystujący technologię opracowaną pierwotnie dla misji kosmicznych. Instrument działa na zasadzie emisji impulsów laserowych, które rozpraszają się i odbijają od cząsteczek aerozolu (zanieczyszczeń, pyłu, dymu, soli morskiej i chmur) unoszących się w powietrzu.

Co czyni go wyjątkowym? AWP emituje aż 200 impulsów laserowej energii na sekundę. Gdy te impulsy napotykają cząsteczki aerozolu w ruchu, następuje zmiana długości fali odbitego światła - to zjawisko znane jako efekt Dopplera, podobne do zmiany tonu sygnału karetki pogotowia przejeżdżającej obok nas.

Zamontowany na samolocie z portami obserwacyjnymi pod spodem AWP wysyła impulsy laserowe w dwóch kierunkach, oddzielonych od siebie o 90 stopni. To właśnie ta kombinacja pozwala stworzyć trójwymiarowy profil wektorów wiatru, prezentujący zarówno prędkość, jak i kierunek.

- Aerosol Wind Profiler potrafi mierzyć prędkość i kierunek wiatru, ale nie tylko w jednym punkcie - podkreśla Bedka. - Zamiast tego mierzymy wiatry na różnych wysokościach w atmosferze jednocześnie, z niezwykle wysoką szczegółowością i dokładnością - dodaje.

Ta zdolność do jednoczesnego pomiaru wiatru na różnych wysokościach stanowi prawdziwy przełom dla meteorologii. Instrument ma nominalną rozdzielczość przestrzenną 12 km w poziomie i 315 m w pionie na wysokości 10 km, zapewniając niespotykaną dotąd precyzję.

Prawdziwym sprawdzianem dla każdej technologii pogodowej jest jej funkcjonowanie podczas ekstremalnych zjawisk atmosferycznych. AWP przeszedł ten test z wyróżnieniem podczas lotów przez zewnętrzne pasma huraganu Helene, gdy ten uderzał w Florydę we wrześniu ubiegłego roku.

- Trójwymiarowy profil wiatru może znacząco poprawić prognozy pogody, szczególnie w przypadku burz i huraganów - stwierdził pełniący obowiązki kierownika programu Joint Venture NOAA Harshesh Patel.

Na pokładzie samolotu NASA Gulfstream III AWP współpracował z obserwatorium lidarowym HALO (High-Altitude Lidar Observatory), które mierzyło parę wodną, aerozole i właściwości chmur. Ta współpraca różnych instrumentów pozwoliła na kompleksowe badanie struktury atmosfery, dostarczając dane o niespotykanej dotąd jakości.

Choć obecnie AWP działa na pokładzie samolotu jego twórcy patrzą znacznie dalej. Loty AWP służą jako poligon doświadczalny dla możliwej integracji w przyszłej misji satelitarnej.

- Potrzeba poprawy globalnych modeli wiatru 3D wymaga platformy kosmicznej - dodaje Patel. - Instrumenty takie jak AWP mają konkretne zastosowania kosmiczne, które potencjalnie są zgodne z misją NOAA polegającą na dostarczaniu krytycznych danych do poprawy prognozowania pogody - jak tłumaczy.

Dla meteorologów technologia AWP to jak przesiadka z roweru na motocykl wyścigowy. Wektory wiatru pomagają naukowcom i meteorologom lepiej zrozumieć mechanizmy pogodowe, więc niezwykle precyzyjne pomiary AWP mogą znacznie poprawić modele prognozowania.

Dzięki tej technologii przyszłe prognozy pogody będą mogły być bardziej precyzyjne i wydawane z większym wyprzedzeniem. Szczególnie ważne będzie to w przypadku przewidywania gwałtownych zjawisk atmosferycznych, takich jak burze czy huragany, które rozwijają się błyskawicznie i mogą powodować ogromne zniszczenia.

Dla entuzjasty elektroniki użytkowej AWP to fascynujący przykład zaawansowanej technologii. Instrument wykorzystuje pulsujący laser ciała stałego działający na długości fali 2053 nm, a jego możliwości wykrywania drobnych cząstek aerozolu i precyzyjnego pomiaru ich ruchu pokazuje, jak daleko zaszliśmy w rozwoju technologii pomiarowych.

Co więcej dane zbierane przez AWP są przetwarzane przez zaawansowane algorytmy, takie jak APOLO (Airborne Wind Profiling Algorithm for Doppler Wind Lidar), które przekształcają surowe pomiary odbić laserowych w użyteczne informacje o wektorach wiatru.

Prace NASA nad technologią AWP pokazują, że nawet tak ulotne zjawisko jak wiatr może być precyzyjnie mierzone i modelowane w trzech wymiarach. Dla meteorologów, ale także dla inżynierów, projektantów i wielu innych specjalistów, możliwość dokładnego pomiaru wiatru otwiera nowe perspektywy.

AWP to nie tylko narzędzie do lepszego prognozowania pogody - to także krok w kierunku lepszego zrozumienia naszej atmosfery i procesów zachodzących w najniższej warstwie atmosfery, które bezpośrednio wpływają na warunki pogodowe doświadczane przez nas na powierzchni ziemi.

Kolejne miesiące przyniosą zapewne więcej informacji o wynikach testów AWP i potencjalnych planach wyniesienia tej technologii w przestrzeń kosmiczną. Jedno jest pewne - dzięki takim instrumentom jak Aerosol Wind Profiler, nasza wiedza o atmosferze i możliwość przewidywania jej zachowania wzniosą się na zupełnie nowy poziom. A Pan Pogodynka będzie miał powody do zadowolenia.