NASA:s nästa försök att kartlägga osynliga fläckar i atmosfären som påverkar klimatförändringar och luftkvalitet startade från ett fönstersäte över Stilla havet.

Vanderlei Martins, en professor vid University of Maryland Baltimore County, flög över Stilla havet för några år sedan när han tittade ut genom fönstret och bestämde sig för att fotografera de ljusa vita molnen som flöt förbi. På ett infall, han tog fram en polarisator, liknar en solglasögonlins, och roterade framför sin kamera när han tog bilder. Resultatet? "Jag såg regnbågar i molnen, sa Martins.

Denna dynamiska syn på moln väckte en idé för en liten satellit som kommer att starta den 2 november från NASA:s Wallops Flight Facility på Wallops Island, Virginia, till den internationella rymdstationen. Därifrån kommer den att släppas ut i jordens omloppsbana.

Denna NASA-finansierade CubeSat kommer att samla in viktig information om moln och aerosoler, små partiklar i atmosfären som kan fungera som kärnor på vilka molndroppar och ispartiklar bildas. Dessa mätningar kommer att hjälpa oss att bättre förstå hur aerosolpartiklar påverkar vädret, klimat och luftkvalitet.

Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat är ungefär lika stor som ett rejält bröd. Det blir det första försöket att sätta en polarimeter, som mäter ljusets polarisering, ombord på en CubeSat. HARP kan bana väg för framtida NASA-uppdrag som involverar en konstellation av små satelliter som tittar ner på moln och aerosoler, sa Martins. NASA:s Earth Science Technology Office finansierar HARP under programmet In-Space Validation of Earth Science Technologies. Martin i uppdragets huvudutredare.

"HARPA, som det första flervinklade breda synfältet moln-aerosol CubeSat-uppdrag, är ett bra exempel på hur ett kreativt och innovativt team kan utveckla ny teknik för atmosfäriska vetenskapsobservationer, sa Charles Norton, särskild rådgivare för små rymdfarkostuppdrag vid NASA:s högkvarter i Washington.

Molnigt med risk för regnbågar

Naturligt producerade aerosoler, som vulkanisk rök, ökendamm och havssprej, och mänskliga aerosoler, som rök från markröjningsbränder och sulfat från brinnande kol och olja, kan vara osynlig för det mänskliga ögat, men deras närvaro kan skapa en dis och skapa klarröda solnedgångar. Aerosoler kan bidra till dålig luftkvalitet och påverka människors hälsa genom att orsaka astma och bronkit samt allvarligare luftvägssjukdomar.

Aerosoler kan också förändra jordens energibalans genom att reflektera solljus tillbaka till rymden och förändra molnpartiklar, som också reflekterar och absorberar solljus. Ju mer ljus en aerosol reflekterar, ju mer det kyler atmosfären; ju mer ljus den absorberar, ju mer det värmer stämningen. Rent generellt, högre koncentrationer av aerosolpartiklar leder till mer, men mindre, molndroppar som får ett moln att lysa upp och hindra det från att producera regn. Dessa ljusa, långvariga moln kan reflektera mer solljus och kyla jordens system.

Väl i omloppsbana, HARP kommer att filtrera ljus i fyra våglängder och rotera ljuset till tre polarisationsvinklar, använder sitt prisma. Precis som polariserade solglasögon hjälper till att blockera starkt ljus för att hjälpa dig att se när det är soligt, HARP kan blockera vissa våglängder och göra observationer från många vinklar. Detta avslöjar annars dolda egenskaper hos moln och aerosoler, som mängden och typen av aerosoler i atmosfären samt storleken på vattendroppar eller ispartiklar inuti moln. "Varje gång HARP flyger över en region, vi ser den regionen ur flera perspektiv, sa Martins.

Den kommer också att kunna bestämma hur mycket ljus som sprids av aerosolpartiklar, sa Henrique Barbosa, en professor och vetenskapsman vid University of São Paulo i São Paulo, Brasilien. "HARP kommer att kunna ge mycket mer information om aerosols mikrofysiska egenskaper än vad som tidigare var tillgängligt, sa Barbosa, som samarbetar med Martins i HARP och andra projekt.

Dock, teamet kommer att behöva strategiskt bestämma när HARP kommer att samla in data eftersom det är en CubeSat med begränsad kraft och datakapacitet, sa Barbosa. Till exempel, när HARP är i omloppsbana, han skulle vilja att den samlar in data över Amazonas för att lära sig mer om effekterna av de pågående brasilianska regnskogsbränderna i Amazonas, som har varit mycket större och intensivare än tidigare år.

Rök från Amazonas bränder inkluderar sot och aerosoler, som alla kan påverka väder och klimat. Aerosoler från förbränning av biomassa till ren mark är mindre än naturliga aerosoler. Med HARP, forskare kan avgöra om moln har mindre, föroreningsdrivna droppar, eller större, naturligt härledda droppar. HARP:s data skulle också kunna kombineras med markbaserade observationer och experiment för att bättre extrapolera dessa resultat och avslöja aerosolprocesser över ett större område, Sa Barbosa.

De tre HARPARNA

Martins kan ha börjat med idén om HARP som en CubeSat, men innan den lilla satelliten kunde skjuta upp, den hade två syskon:AirHARP och HARP2.

AirHARP använde samma polarimeterteknik som HARP men flög ombord på två flygplan istället för en satellit 2017. AirHARP var en del av Lake Michigan Ozone Measurements-kampanjen, som involverade ett NASA UC12-plan, och NASA Aerosol Characterization från Polarimeter och Lidar-kampanj, som erhöll aerosol- och molnmätningar över USA från NASA-flygplanet ER-2 på hög höjd.

"Vi kunde simulera vad HARP skulle göra från rymden, " Barbosa sa om AirHARPs flygningar. Den luftburna versionen hjälpte Barbosa och Martins att utveckla procedurer och algoritmer som så småningom kommer att hjälpa till att ladda ner och smälta HARPs data.

Dock, till skillnad från AirHARP, som var på en fastställd flygväg, HARP kan inte kontrolleras en gång i rymden. "När CubeSat lämnar rymdstationen, dess kurs är vad den än blir, och det är allt, " sa Barbosa. När forskare på marken får kontakt med den kretsande HARP, de kan förutsäga dess omloppsbana och slå på och av den när de vill göra en mätning över en viss region, men de kan inte ändra dess kurs.

HARP2, å andra sidan, kommer att vara en mycket kraftfullare version av HARP. HARP2 kommer att flyga med NASA:s Plankton, Aerosol, Moln, Ocean Ecosystem (PACE) uppdrag, som för närvarande är under utveckling och planerar att förbättra NASA:s över 20-åriga rekord av satellitobservationer av global havsbiologi, aerosoler och moln. Eftersom PACE är en mycket större rymdfarkost med mer kraftförmåga och ett mycket större team bakom, HARP2 kommer att kunna fungera hela tiden och samla in betydligt mer vetenskaplig data än HARP.

"HARP CubeSat har perfekt timing, "Sa Martins." När vi väl har startat det och vi får data från det, vi kommer att använda dessa data för att förbereda oss för HARP2, " han fortsatte.

Den lilla CubeSat som äntligen kunde

Även om Martins redan planerar för nästa iteration av HARP, det första hände nästan inte.

"Jag vill få så mycket vetenskap som möjligt, sa Martins, men att samla in så mycket data med en CubeSat är utmanande. "HARP är den mest tekniktäta CubeSat med tre enheter vi någonsin har försökt, "sa Tim Neilsen, HARP-programledaren vid Space Dynamics Laboratory (SDL) i Logan, Utah. Martins byggde instrumenten och SDL byggde CubeSat.

När HARP:s lansering närmar sig, och nya möjligheter att se och studera aerosoler närma sig, Martins är upprymd men lite nervös. "När den väl startar, du kan inte röra det längre, sa Martins.