Huit satellites de la taille d'une mallette volant d'affilée peuvent être essentiels pour améliorer les prévisions de la vitesse du vent d'un ouragan, en détectant s'il touchera terre en tant que catégorie 1 ou catégorie 5. La flotte du système mondial de navigation par satellite Cyclone (CYGNSS) de la NASA, lancé en 2016, a été conçu pour montrer si les mêmes signaux GPS que votre téléphone utilise pour la navigation peuvent être utilisés pour mesurer les vents profonds dans un ouragan ou un typhon. La réponse semble être un oui retentissant.

Les modèles de prévision météorologique se sont beaucoup améliorés pour prédire la trajectoire future d'un ouragan ou d'un typhon, mais ils ne se sont pas améliorés pour prédire sa vitesse maximale du vent, que les scientifiques appellent l'intensité. C'est parce que ces géants tropicaux sont dirigés par des forces extérieures, comme les vents régionaux, mais leur intensité dépend des forces à l'intérieur de chaque tempête. Et tandis que de nombreux satellites peuvent voir les vents extérieurs, ils ne peuvent pas voir à travers les nuages ​​épais et la pluie d'un ouragan.

Le chercheur principal du CYGNSS, Christopher Ruf de l'Université du Michigan à Ann Arbor, a expliqué :"Pour prédire l'intensité, il faut mesurer la vitesse du vent en plein milieu de la tempête et, jusqu'à CYGNSS, il n'y a pas eu d'autre moyen de le faire que de piloter des avions Hurricane Hunter. »

Les nouvelles données CYGNSS se sont avérées être une excellente correspondance avec les données de l'ouragan Hunter collectées au même moment lors des ouragans Maria de 2017, Irma et José. Les huit petits satellites – en orbite avec seulement un écart de 12 minutes entre chacun – ont collecté plus de données sur chaque tempête que ce qui aurait pu être collecté lors d'un vol Hurricane Hunter.

Comment voir à travers la pluie et les nuages

Pour voir ce qu'il y a dans l'atmosphère, de nombreux satellites d'observation de la Terre envoient des signaux électromagnétiques avec des longueurs d'onde qui ne mesurent que quelques fractions de pouce de long. A ces signaux de courte longueur d'onde, une goutte de bruine, un grain de poussière ou toute autre particule en suspension dans l'air est un obstacle impénétrable. Même si les longueurs d'onde sont plus longues que ces minuscules particules, leur taille est suffisamment proche pour que les signaux rebondissent sur des particules comme une boule de billard entrant en collision avec une autre boule. En « lisant » ces signaux diffusés, les chercheurs peuvent discerner la forme et l'emplacement des nuages ​​et autres obstacles rencontrés par les signaux.

En d'autres termes, les courtes longueurs d'onde permettent aux chercheurs de voir une tempête mais pas de voir à travers.

CYGNSS, d'autre part, utilise les signaux GPS. Leur longueur d'onde est de 7,5 pouces (19 centimètres) de long, bien plus que les courtes longueurs d'onde utilisées par la plupart des instruments satellitaires ou que n'importe quelle goutte de pluie jamais mesurée. A cette longueur d'onde, Ruf a dit, "Vous ne voyez pas du tout une goutte de pluie. Vous la traversez simplement." Cela permet à CYGNSS de voir à travers un ouragan et de mesurer les vents à la surface de l'océan.

satellites GPS, exploité par l'US Air Force, sont sur une orbite beaucoup plus élevée que la flotte CYGNSS. Lorsqu'un satellite GPS survole un cyclone tropical, ses signaux traversent sans entrave la tempête et rebondissent sur la surface de l'océan. Dans leur orbite inférieure, Les récepteurs GPS orientés vers le bas de CYGNSS sont capables d'intercepter les signaux revenant vers le haut. Les distorsions de ces signaux rebondis montrent à quel point la mer est agitée, permettant aux chercheurs de calculer la vitesse du vent qui a causé la rugosité.

Transformer les signaux en mesures

Les huit petits satellites de CYGNSS ont bien fonctionné depuis leur lancement, mais les scientifiques de la mission se sont heurtés à un obstacle majeur sur la voie du traitement des signaux GPS en données de vitesse du vent. Lors de la conception de la mission, les scientifiques ont supposé que les signaux GPS sont diffusés à une intensité constante. Mais lorsque les scientifiques ont commencé à collecter des données, ils ont découvert que la puissance du signal de la plupart des satellites GPS change au cours de chaque orbite et que le degré de changement diffère d'un satellite à l'autre. Ces variations ont perturbé les mesures des vents violents des satellites CYGNSS jusqu'à 18 km/h.

"Nous avons passé un an ou plus à travailler sur le problème, et nous avons enfin compris, " dit Ruf. " En gros, l'Air Force augmente la puissance lorsqu'elle survole certaines parties du monde où les méchants essaient de brouiller les signaux. » Des signaux plus forts sont plus difficiles à brouiller.

Une fois que l'équipe du CYGNSS a compris le problème, ils ont trouvé une solution de contournement. Chaque satellite CYGNSS transporte non seulement un récepteur GPS principal pour collecter les signaux rebondissant de la surface de la Terre, mais aussi un secondaire, récepteur plus petit pour la localisation et le suivi. L'équipe a reprogrammé les plus petits récepteurs pour mesurer la force du signal de diffusion provenant des frais généraux, ce qui leur a donné les informations dont ils avaient besoin pour traiter correctement les signaux revenant d'en bas.

Avec ce problème résolu, les chercheurs pourraient se tourner vers la tâche d'évaluer comment les données CYGNSS affecteraient les prévisions d'ouragan.

Expérimenter une version de recherche du même modèle d'ouragan que la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) utilise pour les prévisions, les scientifiques ont ajouté des données CYGNSS aux reconstructions de deux des tempêtes notables de 2017, ouragans Harvey et Irma. L'ajout de données CYGNSS a produit des prévisions plus réalistes, non seulement de l'intensité des tempêtes, mais de leurs traces et de leur structure. D'autres études ont montré des améliorations similaires dans les prévisions de différentes tempêtes.

Un bonus aquatique inattendu

À la surprise de Ruf, CYGNSS s'est avéré avoir une application imprévue. L'équipe CYGNSS avait prévu d'éteindre systématiquement ses récepteurs lorsque les satellites survolent la terre, mais l'équipe a décidé de simplifier ses opérations en demandant aux satellites de collecter des données en permanence. Deux étudiants postdoctoraux au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, a décidé de regarder les données de plus de terre. "C'était vraiment de la chance autant que n'importe quoi, mais il s'avère qu'il y a toutes sortes de bonnes sciences que vous pouvez faire avec les données foncières pour mesurer l'humidité du sol et les inondations, " dit Ruf.

Comme les anciens élèves, Clara Chew (University Corporation for Atmospheric Research in Boulder, Colorado) et Hugo Carreno-Luengo (Barcelone, Espagne), avoir documenté la valeur des données, La NASA a maintenant officiellement étendu la portée de la mission et a invité l'équipe scientifique à redéfinir les objectifs de la mission. Il peut y avoir d'autres applications à découvrir alors que les huit petits satellites CYGNSS continuent de surveiller les vents cachés dans les tempêtes tropicales.