På en gräsbevuxen landningsbana strax utanför Madison, Grant Petty gör de sista kontrollerna på sitt skelettinramade flygplan. När du är klar, han slår på gasen och lunkar fram. Efter några 100 fot, det ultralätta flygplanet är luftburet och klättrar stadigt, landskapet miniatyriserar under Pettys fötter. Han kommer i slutändan att nå en marschfart på cirka 40 mph.

Petty är professor i atmosfärsvetenskap vid University of Wisconsin – Madison, och den här flygningen är mer än en hobbyresa. Det är en del av ett forskningsprojekt som syftar till att bättre förstå jordens atmosfär. Instrument fastspända på vingarna och flygplanets cockpit samlar in atmosfäriska data medan det är luftburet, samla in data från en del av jordens atmosfär som kallas gränsskiktet.

"Den ultralätta, flygplan på låg höjd kan fånga vad som händer i den lägre atmosfären där mycket av turbulensen är, säger Ankur Desai, en av Petty:s medarbetare på projektet vid Institutionen för atmosfäriska och oceaniska vetenskaper (AOS). "Det är nyckeln till att förstå koppling av ytan till atmosfären på ett experimentellt sätt."

Koppling är processen för värme- och fuktutbyte mellan jordens yta och atmosfären. Forskare studerar detta utbyte eftersom det ger ett fönster in i vårt klimatsystem. Det ultralätta flygplanet kan vara en idealisk plattform för att mäta det eftersom det kan kika in i delar av atmosfären och fånga mätningar som inte annars är möjliga med verktyg som satelliter, markbaserade instrument, eller höghastighetsflygplan, som NASA:s ER-2.

"Den inbyggda utrustningen innehåller sådana som liknar det du kan hitta i en hemväderstation:verktyg som en vindmätare, termometer, tryck- och fuktsensorer, "säger Desai." Annan utrustning gör att vi kan mäta vattenflöden, eller avdunstning från ytan, förutom att samla in data om mark- och ytegenskaper."

UW Ultralight-projektet kom igång sommaren 2017, när Petty (som är huvudutredaren för projektet) och UW – Madison Space Science and Engineering Center (SSEC) -forskaren Jonathan Thom fick arbeta med att montera det ultralätta Zigolo MG12 -hantverket. Efter tre veckors noggrann handmontering, Petty tog den första testflygningen i augusti 2017, med ett par "kråkhopp" – korta starter och omedelbara landningar – tills han kände sig bekväm med att stiga högre upp.

Petty är för närvarande den enda piloten för projektet men hoppas kunna utöka programmet till att omfatta andra erfarna piloter som kan hjälpa till att samla in de atmosfäriska data som behövs av forskare. Laget, som också inkluderar AOS-professor Tristan L'Ecuyer, ser ultralätta som ett sätt att fylla luckor i vår förståelse om atmosfärsfysik.

"Även om de initiala mätningarna kommer att fokuseras på land-atmosfär-kopplingar i Wisconsin, målet är att så småningom samla in ett varierat urval som kan berätta för oss, mer detaljerat, hur ytan interagerar med atmosfären, "säger L'Ecuyer." Vi är glada över enkelheten och förmågan att snabbt anpassa instrumenten, flygvägar, och naturvetenskapliga mål baserat på vad vi lär oss."

Båten flyger vanligtvis mellan 150-till-1, 500 fot över marken och kan förbli luftburen i lite mer än fyra timmar på en full tank med gas. Den väger cirka 485 pund och kan ta av från kort, obanade landningsbanor som är mindre än 200 fot långa. Kommersiella flygplan, i jämförelse, väger mer än 600, 000 pund och kräver mer än 10, 000 fot landningsbana för start.

Dock, med en lastkapacitet på bara 260 pund, tunga instrument ombord utgör en teknisk utmaning för projektet. Det kommer att kräva att forskare antingen designar nya instrument från grunden eller att konfigurera om förbyggda instrument för att gå ner i övervikt.

Lyckligtvis, SSEC och AOS har en lång historia av gör-det-själv-luftfartsprojekt och instrumentbyggnad, med anor från 1950-talet. Petty planerar att utnyttja denna lokala expertis för att anpassa instrument till hantverket, inklusive att involvera studenter i praktiska läroplaner för instrumenttestning och kalibrering. Han ser detta som ett utmärkt tillfälle att engagera dem inom fjärranalys.

Teamet planerar att så småningom omvandla flygplanets 25-hästars bensinmotor till en helelektrisk motor genom ett konverteringssats, vilket gör att de kan samla in exakta föroreningar och partikelmätningar utan störningar från avgaser. Andra experiment inkluderar mätning av evapotranspirationshastigheter över jordbruksfält (processen genom vilken vatten överförs från jorden och från växter till atmosfären), fuktutbyte från Madisons sjöar, och vinterflyg över Lake Mendotas frusna yta.

Genom att använda en ny typ av infraröd mätenhet, ultralätt kommer också att fungera som en testbädd för NASA:s Polar Radiant Energy in the Far Infrared Experiment (PREFIRE).

För närvarande i planeringsstadiet, PREFIRE kommer att involvera CubeSats – små satelliter ungefär lika stora som ett bröd – för att samla in data över Arktis och mäta frekvenser i den bortre infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet. Detta gör det möjligt för forskare att mäta energiutsläpp från Arktis, en sällan studerad del av energicykeln där, och kan användas för att bättre förutsäga hur snabbt arktisk snö och is kommer att smälta.

Genom att flyga vintertransekter över Madisons frysta sjöar, L'Ecuyer säger att ultralätt kommer att användas för att samla in data som behövs för kalibrering och andra jämförande studier när PREFIRE -programmet utvecklas.

Nådde en topphöjd på 1, 100 fötter., Petty avslutar sin testflygning med en sista manöver, bankar mot landningsbanan där det ultralätta betar marken och till slut stannar försiktigt. Nöjd med testresultaten, Petty och Thom lägger undan farkosten i en förvaringshangar.

"Vi ser fram emot att ta emot forskare över hela campus som kanske inte har råd med projekt med avancerade flygplan men som kan använda den information som är tillgänglig för oss, " säger Petty. "Vi är spännande att se vad folk kommer på för idéer och användningsområden för den här plattformen."