Åtta satelliter i portföljstorlek som flyger i rad kan vara nyckeln till att förbättra prognoserna för en orkans vindhastighet – att upptäcka om den kommer att landa som en kategori 1 eller en kategori 5. NASA:s flotta Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), lanserades 2016, designades för att visa om samma GPS-signaler som din telefon använder för navigering kan användas för att mäta vindar djupt i en orkan eller tyfon. Svaret verkar vara ett rungande ja.

Väderprognosmodeller har blivit mycket bättre på att förutsäga framtida spår av en orkan eller tyfon, men de har inte blivit bättre på att förutsäga dess maximala vindhastighet, som forskare kallar intensitet. Det beror på att dessa tropiska jättar styrs av yttre krafter, som regionala vindar, men deras intensitet beror på krafterna inom varje storm. Och medan många satelliter kan se yttre vindar, de kan inte se genom en orkans tjocka moln och regn.

CYGNSS huvudutredare Christopher Ruf från University of Michigan i Ann Arbor förklarade:"För att förutsäga intensitet, du måste mäta vindhastigheten mitt i stormen och, tills CYGNSS, det har inte funnits något annat sätt att göra det än att flyga Hurricane Hunter-plan."

Den nya CYGNSS-datan visade sig vara en utmärkt matchning med Hurricane Hunter-data som samlades in samtidigt under 2017 års orkaner Maria, Irma och Jose. De åtta små satelliterna – som kretsar runt med bara 12 minuters mellanrum mellan var och en – samlade in mer data om varje storm än vad som kunde samlas in under en Hurricane Hunter-flygning.

Hur man ser genom regn och moln

För att se vad som finns i atmosfären, många jordobserverande satelliter skickar ut elektromagnetiska signaler med våglängder som bara är bråkdelar av en tum långa. Till dessa kortvågssignaler, en droppe duggregn, dammfläck eller någon annan luftburen partikel är ett ogenomträngligt hinder. Även om våglängderna är längre än dessa små partiklar, de är tillräckligt nära stora för att signaler studsar av partiklar som en biljardboll som kolliderar med en annan boll. Genom att "läsa" dessa spridda signaler, forskare kan urskilja formen och placeringen av moln och andra hinder som signalerna stötte på.

Med andra ord, korta våglängder låter forskare se en storm men inte se igenom den.

CYGNSS, å andra sidan, använder GPS-signaler. Deras våglängd är 7,5 tum (19 centimeter) lång – mycket längre än antingen de korta våglängder som de flesta satellitinstrument använder eller någon regndroppe som någonsin uppmätts. Vid den våglängden, Ruf sa, "Du ser inte en regndroppe alls. Du går bara rakt igenom den." Det gör det möjligt för CYGNSS att se genom en orkan och mäta vindarna på havsytan.

GPS-satelliter, som drivs av det amerikanska flygvapnet, befinner sig i en mycket högre omloppsbana än CYGNSS-flottan. När en GPS-satellit flyger över en tropisk cyklon, dess signaler passerar obehindrat genom stormen och studsar från havsytan. I deras nedre omloppsbana, CYGNSS:s nedåtriktade GPS-mottagare kan fånga upp signaler som återvänder uppåt. Förvrängningar i dessa studsade signaler visar hur grov havet är, gör det möjligt för forskare att beräkna vindhastigheten som orsakade grovheten.

Förvandla signaler till mätningar

CYGNSS åtta små satelliter har fungerat bra sedan lanseringen, men uppdragets forskare stötte på ett stort hinder på vägen att bearbeta GPS-signalerna till vindhastighetsdata. Vid utformningen av uppdraget, forskare antog att GPS-signaler sänds med konstant styrka. Men när forskarna började samla in data, de fann att signaleffekten från de flesta GPS-satelliter ändras under varje omloppsbana och att graden av förändring skiljer sig från satellit till satellit. Dessa variationer kastade bort CYGNSS-satelliternas mätningar av höga vindar med så mycket som 11 mph (18 km/h).

"Vi arbetade ett år eller mer på problemet, och vi fick äntligen reda på det, " sa Ruf. "I grund och botten, flygvapnet höjer strömmen när de går över vissa delar av världen där skurkar försöker störa signalerna." Starkare signaler är svårare att störa.

När CYGNSS-teamet förstod problemet, de hittade en lösning. Varje CYGNSS-satellit bär inte bara en primär GPS-mottagare för att samla in signaler som studsar upp från jordens yta, men också en sekundär, mindre mottagare för lokalisering och spårning. Teamet programmerade om de mindre mottagarna för att mäta styrkan på sändningssignalen som kommer från overhead, vilket gav dem den information de behövde för att korrekt bearbeta signalerna som återvänder underifrån.

Med det problemet löst, forskarna kan vända sig till uppgiften att bedöma hur CYGNSS-data skulle påverka orkanprognoser.

Experimenterar med en forskningsversion av samma orkanmodell som National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) använder för prognoser, forskarna lade till CYGNSS-data till rekonstruktioner av två av 2017 års anmärkningsvärda stormar, orkanerna Harvey och Irma. Tillägget av CYGNSS-data gav mer realistiska prognoser, inte bara av stormarnas intensitet, men av deras spår och struktur. Andra studier har visat liknande förbättringar i prognoser för olika stormar.

En oväntad vattnig bonus

Till Rufs förvåning, CYGNSS har visat sig ha en oförutsedd applikation. CYGNSS-teamet hade planerat att rutinmässigt stänga av sina mottagare när satelliterna flyger över land, men teamet bestämde sig för att förenkla sin verksamhet genom att låta satelliterna samla in data hela tiden. Två postdoktorander vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, bestämde sig för att titta på data från land. "Det var verkligen tur hur mycket som helst, men det visar sig att det finns alla typer av trevlig vetenskap du kan göra med markdata för att mäta markfuktighet och översvämningar, sa Ruf.

Som tidigare elever, Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research in Boulder, Colorado) och Hugo Carreno-Luengo (Barcelona, Spanien), har dokumenterat värdet av uppgifterna, NASA har nu officiellt utökat uppdragets omfattning och bjudit in vetenskapsteamet att omdefiniera uppdragets syften. Det kan finnas andra applikationer som väntar på att bli upptäckta eftersom de åtta små CYGNSS-satelliterna fortsätter att titta på dolda vindar i tropiska stormar.