Det var mitt på eftermiddagen, men det var mörkt i ett område i Boulder, Colorado den 3 augusti, 1998. Ett tjockt moln dök upp över huvudet och dämpade landet nedanför i mer än 30 minuter. Välkalibrerade radiometrar visade att det var mycket låga nivåer av ljus som nådde marken, tillräckligt låg för att forskare bestämde sig för att simulera denna intressanta händelse med datormodeller. Nu 2017, inspirerad av evenemanget i Boulder, NASA-forskare kommer att utforska månens solförmörkelse för att lära sig mer om jordens energisystem.

Den 21 augusti 2017, forskare ser till årets totala solförmörkelse som passerar över Amerika för att förbättra våra modelleringsmöjligheter för jordens energi. Guoyong Wen, en NASA-forskare som arbetar för Morgan State University i Baltimore, leder ett team för att samla in data från marken och satelliter innan, under och efter förmörkelsen så att de kan simulera årets förmörkelse med hjälp av en avancerad datormodell, kallas en 3-D strålningsöverföringsmodell. Om det lyckas, Wen och hans team kommer att hjälpa till att utveckla nya beräkningar som förbättrar våra uppskattningar av mängden solenergi som når marken, och vår förståelse för en av nyckelaktörerna i att reglera jordens energisystem, moln.

Jordens energisystem är i en konstant dans för att upprätthålla en balans mellan inkommande strålning från solen och utgående strålning från jorden till rymden, som forskare kallar jordens energibudget. Molnens roll, både tjocka och tunna, är viktiga för deras effekt på energibalansen.

Som ett gigantiskt moln, månen under 2017 års totala solförmörkelse kommer att kasta en stor skugga över en sträcka av USA. Wen och hans team känner redan till månens dimensioner och ljusblockerande egenskaper, men kommer att använda mark- och rymdinstrument för att lära sig hur denna stora skugga påverkar mängden solljus som når jordens yta, speciellt runt skuggans kanter.

"Det här är första gången vi kan använda mätningar från marken och från rymden för att simulera månens skugga som går över jordens yta i USA och beräknar energi som når jorden, " sa Wen. Forskare har gjort omfattande atmosfäriska mätningar under förmörkelser tidigare, men detta är den första möjligheten att samla in koordinerade data från marken och från en rymdfarkost som observerar hela den solbelysta jorden under en förmörkelse, tack vare National Oceanic and Atmospheric Administrations Deep Space Climate Observatory som lanserades (DSCOVR) i februari 2015.

Även om månen som blockerar solen under en solförmörkelse och moln som blockerar solljus till jordens yta är två olika fenomen, båda kräver liknande matematiska beräkningar för att korrekt förstå deras effekter. Wen förväntar sig att detta experiment kommer att bidra till att förbättra de nuvarande modellberäkningarna och vår kunskap om moln, speciellt tjockare, låghöjdsmoln som kan täcka cirka 30 procent av planeten vid varje given tidpunkt.

I detta experiment, Wen och hans team kommer att simulera den totala solförmörkelsen i en 3D-modell för strålningsöverföring, som hjälper forskare att förstå hur energi sprids på jorden. För närvarande, modeller tenderar att avbilda moln i en dimension. I många fall, dessa endimensionella beräkningar kan skapa användbara vetenskapliga modeller för att förstå atmosfären. Ibland dock, en tredimensionell beräkning behövs för att ge mer exakta resultat. Den stora skillnaden är att 3D-moln reflekterar eller sprider solenergi i många riktningar, från toppen och botten, och även utanför molnens sidor. Detta 3D-beteende resulterar i att andra mängder energi når marken än vad en endimensionell modell kan förutsäga.

"Vi testar förmågan att göra en viss typ av komplex beräkning, ett test av en 3-D matematisk teknik, för att se om detta är en förbättring jämfört med den tidigare tekniken, sa Jay Herman, forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och medutredare av projektet. "Om detta lyckas, då kommer vi att ha ett bättre verktyg att implementera i klimatmodeller och kan använda det för att svara på frågor och jordens energibudget och klimat." För den kommande solförmörkelsen, Wen och hans teammedlemmar kommer att vara stationerade i Casper, Wyoming, och Columbia, Missouri för att samla information om mängden energi som överförs till och från jorden innan, under och precis efter förmörkelsen med flera markinstrument.

En markbaserad, NASA-utvecklade Pandora Spectrometer Instrument kommer att ge information om hur mycket av en given våglängd av ljus som finns, och en pyranometer kommer att mäta total solenergi från alla riktningar som kommer ner mot ytan. Omedelbart före och efter solförmörkelsen kommer forskare att mäta annan information som mängden absorberande spårgaser i atmosfären, som ozon, kvävedioxid och små aerosolpartiklar att även använda i 3D-modellen.

Under tiden i rymden, NASA:s jordpolykromatiska bildkamera, eller EPIC, instrument ombord på rymdfarkosten DSCOVR, kommer att observera ljuset som lämnar jorden och tillåta forskare att uppskatta mängden ljus som når jordens yta. Dessutom, NASA:s två MODIS-satellitinstrument, ombord på byråns Terra och Aqua satelliter, lanserades 1999 och 2002, respektive, kommer att ge observationer av atmosfäriska och ytförhållanden vid tidpunkter före och efter förmörkelsen. Forskarna kommer sedan att kombinera markmätningar med de som observerats av rymdfarkosten.

Detta experiment kompletterar NASA:s decennier långa engagemang för att observera och förstå bidrag till jordens energibudget. I mer än 30 år, NASA har mätt och beräknat mängden solenergi som träffar toppen av vår atmosfär, mängden av solens energi som reflekteras tillbaka till rymden och hur mycket värmeenergi som släpps ut av vår planet till rymden. Dessa mätningar har varit möjliga tack vare instrument och uppdrag som ACRIMSAT och SOLSTICE (lanserades 1991), och SORCE, lanserades 2003 samt serien av CERES-instrument som flögs ombord på Terra, Aqua, och Suomi-NPP (lanserades 2011).

Denna höst, NASA kommer att fortsätta att övervaka förhållandet mellan solen och jorden genom att lansera den totala och spektrala solinstrålningssensorn-1, eller TSIS-1, till den internationella rymdstationen och de sjätte molnen och jordens strålningsenergisystem CERES-instrument, CERES FM6, att kretsa senare i år. Fem CERES-instrument är för närvarande i omloppsbana ombord på tre satelliter.