Efter nästan två decennier, solen har gått ner för NASA:s solstrålnings- och klimatexperiment (SORCE), ett uppdrag som fortsatte och avancerade byråns 40-åriga rekord av att mäta solinstrålning och studera dess inverkan på jordens klimat.

SORCE-teamet stängde av rymdfarkosten den 25 februari, 2020, avslutade 17 år av att mäta mängden, spektrum och fluktuationer av solenergi som kommer in i jordens atmosfär – viktig information för att förstå klimatet och planetens energibalans. Uppdragets arv fortsätter av den totala och spektrala solarbestrålningssensorn (TSIS-1), skjuts upp till den internationella rymdstationen i december 2017, och TSIS-2, som kommer att starta ombord på sin egen rymdfarkost 2023.

Övervakar jordens "batteri"

Solen är jordens primära kraftkälla. Energi från solen, kallas solinstrålning, driver jordens klimat, temperatur, väder, atmosfärisk kemi, havets cykler, energibalans med mera. Forskare behöver noggranna mätningar av solenergi för att modellera dessa processer, och de tekniska framstegen i SORCE:s instrument möjliggjorde mer exakta solinstrålningsmätningar än tidigare uppdrag.

"Dessa mätningar är viktiga av två skäl, sa Dong Wu, projektforskare för SORCE och TSIS-1 vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Klimatforskare behöver veta hur mycket solen varierar, så de vet hur mycket förändringar i jordens klimat som beror på solvariation. För det andra, vi har diskuterat i åratal, Blir solen ljusare eller svagare under hundratals år? Vi lever bara en kort period, men en korrekt trend kommer att bli mycket viktig. Om du vet hur solen varierar och kan utöka den kunskapen in i framtiden, du kan sedan lägga in den förväntade framtida solinmatningen i klimatmodeller tillsammans med annan information, som spårgaskoncentrationer, att uppskatta vad vårt framtida klimat kommer att bli."

SORCEs fyra instrument mätte solinstrålning på två komplementära sätt:total och spektral.

Total solinstrålning, eller TSI, är den totala mängden solenergi som når jordens yttre atmosfär under en given tid. Solfläckar (mörkade områden på solens yta) och faculae (upplysta områden) skapar små TSI-variationer som visar sig som mätbara förändringar i jordens klimat och system. Från rymden, SORCE och andra solinstrålningsuppdrag mäter TSI utan störningar från jordens atmosfär.

SORCE:s TSI-värden var något men betydligt lägre än de som uppmätts vid tidigare uppdrag. Detta var inte ett fel – dess totala strålningsövervakare var tio gånger mer exakt än tidigare instrument. Detta förbättrade solinstrålningsinsatserna till jordens klimat- och vädermodeller från vad som tidigare var tillgängligt.

"Den stora överraskningen med TSI var att mängden irradians den mätte var 4,6 watt per kvadratmeter mindre än vad som förväntades, sa Tom Woods, SORCE:s huvudutredare och seniorforskare vid University of Colorados laboratorium för atmosfärs- och rymdfysik (LASP) i Boulder, Colorado. "Det startade en hel vetenskaplig diskussion och utvecklingen av ett nytt kalibreringslaboratorium för TSI-instrument. Det visade sig att TIM var korrekt, och alla tidigare bestrålningsmätningar var felaktigt höga."

"Det är inte ofta i klimatstudier som man gör ett kvantsprång i mätförmåga, men den tiofaldiga förbättringen i noggrannhet av SORCE / TIM var exakt det, sa Greg Kopp, TIM-instrumentforskare för SORCE och TSIS vid LASP.

SORCE:s andra mätningar fokuserade på spektralt upplöst solar irradians (SSI):Variationen av solar irradians med våglängd över solspektrumet, som täcker de stora våglängdsregionerna som är viktiga för jordens klimat och atmosfäriska sammansättning.

Förutom den välbekanta regnbågen av färger i synligt ljus, solenergi innehåller också kortare ultravioletta och längre infraröda våglängder, som båda spelar viktiga roller för att påverka jordens atmosfär. Jordens atmosfäriska skikt och yta absorberar olika våglängder av energi, t.ex. atmosfäriskt ozon absorberar skadlig ultraviolett strålning, medan atmosfärisk vattenånga och koldioxid absorberar infraröd strålning med längre våglängder, som håller ytan varm. SORCE var det första satellituppdraget att spela in ett brett spektrum av SSI under en lång period, spårar våglängder från 1 till 2400 nanometer över sina tre SSI-instrument.

"För folkhälsan, ozonkemi och ultraviolett strålning är mycket viktiga, och synligt ljus är viktigt för klimatmodellering, " sade Wu. "Vi måste känna till solvariabiliteten vid olika våglängder och jämföra dessa mätningar med våra modeller."

SORCE observerade solen över två solminima (perioder med låg solfläcksaktivitet), tillhandahålla värdefull information om variationer under en relativt kort 11-årsperiod. Men ett längre rekord behövs för att förbättra långsiktiga förutsägelser, sa Wu.

Köper tid för ett åldrande uppdrag

SORCE designades ursprungligen för att samla in data under bara fem år. Att förlänga sin livslängd till 17 krävde kreativ och resursstark ingenjörskonst, sa Eric Moyer, SORCE:s uppdragschef på Goddard.

SORCE:s batteri började försämras under sitt åttonde verksamhetsår, ger inte längre tillräckligt med kraft för att stödja konsekvent datainsamling. Tyvärr, NASA-instrumentet utformat för att ta upp dess TSI-mätningar, Ära, förlorades kort efter lanseringen 2011, och nästa instrument, NOAA / U.S. Air Force Total solar irradians Calibration Transfer Experiment (TCTE), skulle inte lanseras förrän 2013. Om SORCE inte längre kunde fungera, det pågående solinstrålningsrekordet kan avbrytas. Eftersom solen förändras mycket långsamt — dess solfläckar och faculae följer en 11-årig cykel, och vissa förändringar sträcker sig över decennier eller till och med århundraden – en lång, kontinuerlig registrering är avgörande för att förstå hur solen beter sig.

Ingenjörsteamet bytte till soldatainsamling endast dagtid, stänga av instrumenten och en del av rymdfarkosten under nattdelen av SORCE-banan. Denna plan gjorde det möjligt för satelliten att köras utan fungerande batteri, Woods sa - en banbrytande ingenjörsprestation.

"Operations- och vetenskapsteamen vid våra partnerorganisationer utvecklade och implementerade ett helt nytt sätt att driva detta uppdrag när det visade sig att det var över på grund av batterikapacitetsbortfall, " sa Moyer. LASP och Northrup Grumman Space Systems ledde utvecklingen av ny operativ programvara för att fortsätta SORCE-uppdraget. "Den lilla, ett mycket dedikerat team höll ut och utmärkte sig när de mötte operativa utmaningar. Jag är mycket stolt över deras utmärkta prestation och hedrad över att ha fått möjligheten att delta i ledningen av SORCE-uppdraget."

Fortsätter ett ljust arv

När SORCEs tid i solen slutar, NASA:s solinstrålningsrekord fortsätter med TSIS-1. Uppdragets två instrument mäter TSI och SSI med ännu mer avancerade instrument som bygger på SORCE:s arv, sa Wu. De har redan möjliggjort framsteg som att etablera en ny referens för den "tysta" solen när det inte fanns några solfläckar 2019, och för att jämföra detta med SORCE-observationer av föregående solcykelminimum 2008.

TSIS-2 är planerad att lanseras 2023 med identiska instrument som TSIS-1. Dess utsiktspunkt ombord på sin egen rymdfarkost kommer att ge den mer flexibilitet än TSIS-1:s datainsamling ombord på ISS.

"Vi ser fram emot att fortsätta den banbrytande vetenskapen som inletts av SORCE, och att upprätthålla solinstrålningsdataposten genom detta decennium och därefter med TSIS-1 och 2, " sa LASP:s Peter Pilewskie, huvudutredare för TSIS-uppdragen. "SORCE satte standarden för mätnoggrannhet och spektral täckning, två attribut för uppdraget som var nyckeln till att få insikt om solens roll i klimatsystemet. TSIS har gjort ytterligare förbättringar som ytterligare borde förbättra solklimatstudier."

"Solinstrålningsmätningar är mycket utmanande, och SORCE-teamet föreslog ett annat sätt, en ny teknik, att mäta dem, " sa Wu. "Att använda avancerad teknik för att främja vår vetenskapliga förmåga, SORCE är ett mycket bra exempel på NASA:s anda."