Istället för att se upp till himlen för ljusa utbrott av eldiga färger, ett forskargrupp tillbringade den fjärde juli 2018 och tittade ner på brinnande klotar av smält lava från ett himldykande flygplan. Bultat på deras plan var ett nytt NASA -instrument utformat för att upptäcka varje gång vulkanen tog ett andetag, när kalderan svullnade och tömdes.

Teamet flög flera flygningar ovanför Kīlauea -vulkanen i Hawaii Volcanoes National Park från 3 till 5 juli, 2018, för att demonstrera hur ett nytt instrument kan bana väg för en framtida konstellation av små satelliter avsedda att övervaka effekter från vulkanisk aktivitet, jordbävningar och förändringar i markytor, sa Lauren Wye, huvudutredaren som ledde och nyligen avslutade instrumentets utveckling på SRI International i Menlo Park, Kalifornien.

En global karta som beskriver markhöjningsförändringar över tid kan hjälpa forskare att hitta markrörelser innan, under och efter jordbävningar och vulkanutbrott, och hjälpa till att identifiera effekter från översvämningar och grundvattenpumpning. "The CubeSat Imaging Radar for Earth Sciences, eller CIRES, kan hjälpa beslutsfattare och räddningschefer att få observationer tidigare efter en farlig händelse så att de är bättre förberedda att hantera katastrofhjälp, "Sa Wye.

Även om Kīlaueas utbrott påverkade över 50 kvadratkilometer land, markdeformation, eller en förändring av markhöjden, är inte alltid märkbart för det mänskliga ögat. Högspecialiserad teknik som Wyes nya instrument kan identifiera och spela in dessa förändringar.

CIRES är utrustad med en S-band Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). S-bandets radar kan tränga igenom vegetationen och nå marken. CIRES tar två radarbilder av ett specifikt område från ungefär samma position i rymden vid två olika tidpunkter och bearbetar sedan de två bilderna för att bestämma skillnaden mellan dem.

Nationella vetenskapsakademierna, Engineering and Medicine's 2017 Decadal Survey, "Trivs på vår föränderliga planet:En dekadal strategi för jordobservationer från rymden, "rekommenderar att NASA använder InSAR -mätningar för att hantera dynamiken i jordbävningar, vulkaner, jordskred, glaciärer, grundvatten och jordens inre.

En konstellation av små InSAR-satelliter kan fungera tillsammans med NASA-ISRO SAR-uppdraget (NISAR), som är NASA:s första dedikerade InSAR -satellit som håller på att utvecklas. Flera små satelliter kan samla in frekventa data över snabbt utvecklande processer, som vulkanutbrott, jordbävningar och jordskred, lägga till NISAR:s systematiska globala data.

En gång på en radar

Traditionellt, forskare övervakar markdeformation med mark-sensorer och Global Positioning System (GPS). InSAR -mätningar kompletterar markmätningar och kan ofta vägleda hur marksensorer installeras. "InSAR -data har revolutionerat hur vi ser på jordbävningar och vulkaner, "Kyle Anderson, en geofysiker vid U.S. Geological Survey, sa.

I omloppsbana, en serie små InSAR -satelliter kan kika ner och registrera förändringar i markdeformation. "Vulkaner kommer ofta att blåsa upp med magma innan de bryter ut, "Anderson sa. Anderson arbetade med CIRES -teamet i Kīlauea." Även om det är svårt att förutse hur stort eller hur långt utbrottet kommer att bli, vi kan säga, den här vulkanen började blåsa upp och det är större sannolikhet att den bryter ut. "

CIRES -projektet började i januari 2015 på SRI International med finansiering från NASA:s Earth Science Technology Office för att utveckla instrumentets radarelektronikhårdvara under två år. Den fick sedan ytterligare tre års finansiering för att förbereda radarn för rymden, demonstrera bildfunktioner via flygplan, inklusive både ombord och fjärrstyrda flygplan, och föra fram en rymdutplacerbar antenn för att slutföra instrumentet.

"InSAR har varit särskilt användbart för att bättre förstå vulkaner i avlägsna områden, "Sa Anderson. Till exempel, tekniken hjälpte forskare att märka deformation nära Three Sisters -grupperna av vulkaner i centrala Oregon från 1997 till 2001. InSAR identifierade deformation i ett område som senast såg ett utbrott 1, 500 år sedan. På grund av de observerade förändringarna, USGS installerade seismometrar, GPS-stationer och gasövervakningsutrustning för att kontrollera andra tecken på aktivitet. År 2004, dessa instrument upptäckte en svärm av 300 små jordbävningar.

"InSAR låter dig få stora täckningsområden och se hur en del av vulkanens kaldera förändras i förhållande till en annan del, "Patrick Rennich, CIRES -signalbehandlings- och experimentdesignledningen, sa. Vanligtvis, forskare placerar ett begränsat antal GPS -sensorer på specifika delar av vulkanen för att övervaka eventuella rörelser. "CIRES borde kunna täcka hela kalderan, "Sa Rennich.

Steg till rymden

Under utvecklingen, "laget stötte på många hicka, "Sa Wye. Men med varje hicka, som en försenad testflygning, laget blev innovativt. "Det ledde till många roliga övningar, "Sa Wye.

En av dessa övningar såg laget som band bandet till en bil i rörelse. De körde bilen, som de kallade "CarSAR, "längs förhöjda vägar i Bay Area i norra Kalifornien i början av 2018 för att se hur CIRES skulle hämta information i en dal nedanför." Men vi behövde verkligen bli högre för att testa våra data, "Sa Wye.

När Kīlauea -vulkanen började bryta ut i maj 2018, de såg sin möjlighet. Den 4 juli, 2018, lava flödade och vulkanens kaldera kollapsade. CIRES erhöll framgångsrikt SAR, eller ögonblicksbilder, men kunde inte få InSAR, eller jämförelsebilder, över Kīlauea, delvis för att, "Det var svårt att flyga på exakt samma väg varje dag, "Sa Rennich.

Flygen över Kīlauea, bland andra fältprov, hjälpte laget att lära sig vad som fungerade och inte fungerade när de utvecklade instrumentet. De kunde optimera CIRES för att förbättra sin energihantering, storlek, sensorkapacitet och förmåga att motstå värme.

I december 2019, laget spände igen CIRES, med uppdaterad hårdvara och programvara, till ett flygplan som vanligtvis är reserverat för kommersiell fallskärmshoppning och flög 10, 000 fot över en arméutbildningsanläggning i Indiana. "Det visar sig att fallskärmshoppare är mycket bekväma att flyga med en öppen dörr, "Sa Rennich.

Teamet flög CIRES ovanför en simulerad översvämmad by vid Muscatatuck Urban Training Center för att bättre förstå radarsignaturer i en översvämmad stadsmiljö. Flyget producerade också data som kan förbättra algoritmer som kvantifierar omfattningen av översvämningar och relaterade skador. NASA:s Earth Science Technology Office and Disasters Program hjälpte till att finansiera flygningar och analys av CIRES -data.

"Genom att montera CIRES på ett flygplan, vi kunde flyga i olika vinklar och se hur olika byggnadsorienteringar påverkar hur de ser ut i radarbilder på grund av översvämningar, "Sang-Ho Yun, en geofysiker och myntutredare av detta projekt vid NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, sa. "Översvämning är som ett spöke, "Sa Yun; dess flyktiga natur gör det svårt att bedöma noggrannheten i översvämningstekniker.

Teamet utförde också ett experiment där de kontrollerade rörelse på marken för att testa CIRES. Under Indiana -flygningen, "En av våra kollegor på marken skulle höja silverfärgade metallreflektorer med en halv centimeter till en centimeter för att visa att vi kan upptäcka den förändringen, "Sa Rennich. Detta bidrog till att bevisa att CIRES samlade in korrekta InSAR -data.

Flygen lyckades delvis eftersom laget kunde flyga CIRES längs samma väg flera gånger i rad, vilket de inte kunde göra på Hawaii. "Vi implementerade ett bättre pilotnavigationssystem, "Rennich sa, vilket gjorde att laget kunde flyga inom några meter från det de hade flugit föregående dag. På Hawaii, de flög ungefär 500 fot från föregående dags kurs.

"När du är i rymden, banan är mycket mer repeterbar, "Rennich sa, eftersom varje satellit är på en förutsägbar, spårbar kurs.

För att laget ska göra CIRES, eller ett CIRES-liknande instrument som fungerar i rymden, de skulle behöva förlänga sin antenn avsevärt, från två fot till 10 fot över, Sa Rennich. "Allt annat är i stort sett detsamma, " han sa.

"Små satelliter, liknande omfattning som CIRES, kan vara ett drömsystem ur en snabb katastrofhanteringssynpunkt, Sa Yun. Även om det är små satelliter, som CIRES, kommer inte att kunna uppnå samma noggrannhet som större system, de kan få data oftare när en katastrof inträffar. "Med små satelliter, vi kan kostnadseffektivt uppnå det målet, "Sa Yun.