Två nya miniatyrsatelliter från NASA kommer att börja kors och tvärs över jordens atmosfär om några månader och upptäcka värme som går förlorad till rymden. Deras observationer från planetens mest benhårda regioner kommer att hjälpa till att förutsäga hur vår is, hav och väder kommer att förändras inför den globala uppvärmningen.
Ungefär lika stor som en skokartong utgör kubsatelliterna, eller CubeSats, ett uppdrag som heter PREFIRE, förkortning för Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment. Utrustade med teknologi beprövad på Mars, är deras mål att avslöja hela spektrat av värmeförluster från jordens polära områden för första gången, vilket gör klimatmodellerna mer exakta.
PREFIRE har utvecklats gemensamt av NASA och University of Wisconsin-Madison, med teammedlemmar från universiteten i Michigan och Colorado.
Uppdraget börjar med jordens energibudget. I en planetarisk balansakt bör mängden värmeenergi som planeten får från solen helst kompenseras av mängden som strålar ut från jordsystemet ut i rymden. Skillnaden mellan inkommande och utgående energi bestämmer jordens temperatur och formar vårt klimat.
Polarområdena spelar en nyckelroll i processen och fungerar som jordens kylarfenor. Omrörningen av luft och vatten, genom väder och havsströmmar, flyttar värmeenergi som tas emot i tropikerna mot polerna, där den sänds ut som termisk infraröd strålning - samma typ av energi som du känner från en värmelampa. Cirka 60 % av den energin strömmar ut i rymden i långt infraröda våglängder som aldrig har mätts systematiskt.
PREFIRE kan stänga det gapet. "Vi har potential att upptäcka några grundläggande saker om hur vår planet fungerar", säger Brian Drouin, vetenskapsman och biträdande huvudutredare för uppdraget vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien.
"I klimatprognoser kommer mycket av osäkerheten från det vi inte vet om nord- och sydpolen och hur effektivt strålning sänds ut i rymden", sa han. "Viktigheten av den strålningen insågs inte under stora delar av rymdåldern, men vi vet nu och siktar på att mäta den."
Varje satellit kommer att skjutas upp från Nya Zeeland med två veckors mellanrum i maj, och kommer att bära en termisk infraröd spektrometer. De JPL-designade instrumenten inkluderar specialformade speglar och detektorer för att dela och mäta infrarött ljus. Liknande teknik används av Mars Climate Sounder på NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter för att utforska den röda planetens atmosfär och väder.
Att miniatyra instrumenten för att passa på CubeSats var en utmaning för PREFIREs ingenjörsteam. De utvecklade en nedskalad design optimerad för de förhållandevis varma förhållandena på vår egen planet. Instrumenten väger mindre än 3 kg och gör avläsningar med hjälp av en enhet som kallas termoelement, liknande de sensorer som finns i många hushållstermostater.
För att maximera täckningen kommer PREFIRE-tvillingarna att kretsa runt jorden längs olika banor och överlappa varandra med några timmars mellanrum nära polerna.
Sedan 1970-talet har Arktis värmts upp minst tre gånger snabbare än någon annanstans på jorden. Vinterhavsisen där har krympt med mer än 15 900 kvadrat miles (41 200 kvadratkilometer) per år, en förlust på 2,6 % per decennium jämfört med genomsnittet 1981-2010. En förändring sker också på andra sidan planeten:Antarktis inlandsisar förlorar massa med en genomsnittlig hastighet på cirka 150 miljarder ton per år.
Konsekvenserna av dessa förändringar är långtgående. Fluktuationer i havsisen formar polära ekosystem och påverkar havets temperatur och cirkulation. Smältvatten från miltjocka inlandsisar på Grönland och Antarktis är ansvarigt för ungefär en tredjedel av ökningen av den globala medelhavsnivån sedan 1993.
"Om du förändrar polarområdena förändrar du också vädret i grunden runt om i världen", säger Tristan L'Ecuyer, professor vid University of Wisconsin-Madison och uppdragets huvudutredare. "Extrema stormar, översvämningar, kusterosion – alla dessa saker påverkas av vad som händer i Arktis och Antarktis."
För att förstå och projicera sådana förändringar använder forskare klimatmodeller som tar hänsyn till många fysiska processer. Att köra modellerna flera gånger (varje gång under lite olika förhållanden och antaganden) resulterar i en ensemble av klimatprognoser. Antaganden om osäkra parametrar, som hur effektivt polerna sänder ut värmestrålning, kan avsevärt påverka projektionerna.
PREFIRE kommer att leverera ny data om olika klimatvariabler, inklusive atmosfärstemperatur, ytegenskaper, vattenånga och moln. I slutändan kommer mer information att ge en mer exakt bild av en värld i förändring, sa L'Ecuyer.
"När våra klimatmodeller konvergerar kommer vi att börja verkligen förstå hur framtiden kommer att se ut i Arktis och Antarktis," tillade han.
Tillhandahålls av NASA
