Au lieu de regarder vers le ciel pour des éclats lumineux de couleur ardente, une équipe de recherche a passé le 4 juillet 2018 à observer des boules de lave en fusion provenant d'un avion de parachutisme. Boulonné à leur avion était un nouvel instrument de la NASA conçu pour détecter chaque fois que le volcan respirait, alors que sa caldeira gonflait et se dégonflait.

L'équipe a effectué plusieurs vols au-dessus du volcan Kīlauea dans le parc national des volcans d'Hawaï du 3 au 5 juillet. 2018, montrer comment un nouvel instrument pourrait ouvrir la voie à une future constellation de petits satellites dédiés à la surveillance des impacts de l'activité volcanique, tremblements de terre et modifications des surfaces terrestres, dit Lauren Wye, le chercheur principal qui a dirigé et récemment terminé le développement de l'instrument à SRI International à Menlo Park, Californie.

Une carte globale détaillant les changements d'élévation des terres au fil du temps peut aider les scientifiques à identifier le mouvement du sol avant, pendant et après les tremblements de terre et les éruptions volcaniques, et aider à identifier les impacts des inondations et du pompage des eaux souterraines. "Le radar imageur CubeSat pour les sciences de la Terre, ou CIRES, peut aider les décideurs et les gestionnaires d'urgence à obtenir des observations plus tôt après un événement dangereux afin qu'ils soient mieux préparés à faire face aux secours en cas de catastrophe, " dit Wye.

Bien que l'éruption du Kīlauea ait touché plus de 50 miles carrés de terres, déformation du sol, ou un changement d'élévation du terrain, n'est pas toujours perceptible à l'œil humain. Une technologie hautement spécialisée comme le nouvel instrument de Wye peut localiser et enregistrer ces changements.

Le CIRES est équipé d'un radar interférométrique à synthèse d'ouverture en bande S (InSAR). Le radar en bande S est capable de pénétrer à travers la végétation et d'atteindre le sol. Le CIRES prend deux images radar d'une zone spécifique depuis approximativement la même position dans l'espace à deux moments différents, puis traite les deux images pour déterminer la différence entre elles.

Les Académies nationales des sciences, Enquête décennale 2017 de l'ingénierie et de la médecine, "Prospérer sur notre planète en évolution :une stratégie décennale pour les observations de la Terre depuis l'espace, " recommande que la NASA utilise les mesures InSAR pour aider à aborder la dynamique des tremblements de terre, volcans, glissements de terrain, glacier, les eaux souterraines et l'intérieur de la Terre.

Une constellation de petits satellites InSAR pourrait fonctionner en tandem avec la mission SAR NASA-ISRO (NISAR), qui est le premier satellite InSAR dédié de la NASA actuellement en développement. Plusieurs petits satellites pourraient collecter des données fréquentes sur des processus en évolution rapide, comme les éruptions volcaniques, tremblements de terre et glissements de terrain, ajouter aux données mondiales systématiques de NISAR.

Il était une fois un radar

Traditionnellement, les chercheurs surveillent la déformation du sol avec des capteurs au sol et le système de positionnement global (GPS). Les mesures InSAR sont complémentaires aux mesures au sol et peuvent souvent guider la façon dont les capteurs au sol sont installés. "Les données InSAR ont révolutionné notre regard sur les tremblements de terre et les volcans, " Kyle Anderson, un géophysicien au U.S. Geological Survey, mentionné.

En orbite, une série de petits satellites InSAR pourraient regarder vers le bas et enregistrer les changements dans la déformation du sol. "Les volcans se gonflent souvent de magma avant d'entrer en éruption, " a déclaré Anderson. Anderson a travaillé avec l'équipe du CIRES au Kīlauea. " Bien qu'il soit difficile de prédire la taille ou la durée de l'éruption, nous pouvons dire, ce volcan a commencé à gonfler et il y a une probabilité plus élevée qu'il entre en éruption."

Le projet CIRES a débuté en janvier 2015 à SRI International avec un financement du Earth Science Technology Office de la NASA pour développer le matériel électronique radar de l'instrument sur deux ans. Il a ensuite reçu un financement supplémentaire de trois ans pour préparer le radar pour l'espace, démontrer les capacités d'imagerie par avion, comprenant à la fois des aéronefs embarqués et des aéronefs télépilotés, et faire avancer une antenne déployable dans l'espace pour compléter l'instrument.

"InSAR a été particulièrement utile pour mieux comprendre les volcans dans les zones reculées, " a déclaré Anderson. Par exemple, la technologie a aidé les scientifiques à remarquer une déformation près du groupe de volcans Three Sisters dans le centre de l'Oregon de 1997 à 2001. InSAR a localisé une déformation dans une zone qui a connu une dernière éruption 1, il y a 500 ans. En raison des changements observés, l'USGS a installé des sismomètres, Stations GPS et équipement de surveillance du gaz pour vérifier d'autres signes d'activité. En 2004, ces instruments ont détecté un essaim de 300 petits tremblements de terre.

"InSAR vous permet d'obtenir de larges zones de couverture et de voir comment une partie de la caldeira du volcan évolue par rapport à une autre partie, " Patrick Rennich, le responsable du traitement du signal et de la conception expérimentale du CIRES, mentionné. Typiquement, les chercheurs placent un nombre limité de capteurs GPS sur des parties spécifiques du volcan pour surveiller tout mouvement. « Le CIRES doit pouvoir couvrir toute la caldeira, " a déclaré Rennich.

Des marches vers l'espace

Au cours du développement, "l'équipe a eu beaucoup de ratés, " dit Wye. Cependant, à chaque hoquet, comme un vol d'essai retardé, l'équipe est devenue innovante. « Cela a conduit à de nombreux exercices amusants, " dit Wye.

L'un de ces exercices a vu l'équipe attacher l'instrument à une voiture en mouvement. Ils ont conduit la voiture, qu'ils ont surnommé "CarSAR, " le long des routes surélevées dans la région de la baie de Californie du Nord au début de 2018 pour voir comment le CIRES recueillerait des informations dans une vallée en contrebas. " Mais nous avions vraiment besoin d'aller plus haut pour tester nos données, " dit Wye.

Lorsque le volcan Kīlauea a commencé à entrer en éruption en mai 2018, ils ont vu leur opportunité. Le 4 juillet, 2018, la lave coulait et la caldeira du volcan s'effondrait. Le CIRES a obtenu avec succès le SAR, ou des images instantanées, mais n'a pas pu obtenir InSAR, ou des images de comparaison, sur le Kīlauea, en partie parce que, "C'était difficile de voler exactement sur le même chemin tous les jours, " a déclaré Rennich.

Les survols du Kīlauea, entre autres tests sur le terrain, aidé l'équipe à découvrir ce qui fonctionnait et ce qui ne fonctionnait pas pendant qu'ils développaient l'instrument. Ils ont pu optimiser le CIRES pour améliorer sa gestion énergétique, Taille, capacités du capteur et capacité à résister à la chaleur.

En décembre 2019, l'équipe a de nouveau sanglé le CIRES, avec du matériel et des logiciels mis à jour, à un avion habituellement réservé au parachutisme commercial et a volé 10, 000 pieds au-dessus d'un centre d'entraînement de l'armée dans l'Indiana. "Il s'avère que les opérateurs de parachutisme sont très à l'aise de voler avec une porte ouverte, " a déclaré Rennich.

L'équipe a survolé CIRES au-dessus d'un village inondé simulé au Muscatatuck Urban Training Center pour mieux comprendre les signatures radar dans un environnement urbain inondé. Le vol a également produit des données qui pourraient améliorer les algorithmes qui quantifient l'étendue des inondations et des dommages associés. Le Earth Science Technology Office et le Disasters Program de la NASA ont aidé à financer les vols et l'analyse des données du CIRES.

"En montant le CIRES sur un avion, nous pourrions voler sous différents angles et voir comment les différentes orientations des bâtiments affectent leur apparence sur les images radar en raison des inondations, " Sang-Ho Yun, géophysicien et co-investigateur de ce projet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, mentionné. "Les inondations sont comme un fantôme, ", a déclaré Yun; sa nature éphémère rend difficile l'évaluation de l'exactitude des techniques de cartographie des inondations.

L'équipe a également réalisé une expérience dans laquelle ils ont contrôlé le mouvement au sol pour tester le CIRES. Pendant le vol Indiana, "Un de nos collègues sur le terrain élèverait les réflecteurs en métal argenté d'un demi-centimètre à un centimètre pour montrer que nous pouvons détecter ce niveau de changement, " a déclaré Rennich. Cela a permis de prouver que le CIRES collectait des données InSAR précises.

Les vols ont été couronnés de succès en partie parce que l'équipe a pu faire voler le CIRES sur le même trajet plusieurs fois de suite, ce qu'ils n'ont pas pu faire à Hawaï. "Nous avons mis en place un meilleur système de navigation pilote, " Rennich a dit, ce qui a permis à l'équipe de voler à quelques mètres de l'endroit où ils avaient volé la veille. À Hawaii, ils ont volé à environ 500 pieds du parcours de la veille.

"Quand tu es dans l'espace, la trajectoire est beaucoup plus répétable, " Rennich a dit, parce que chaque satellite est sur un plan prévisible, parcours traçable.

Pour l'équipe de faire CIRES, ou un instrument de type CIRES travaillant dans l'espace, ils auraient besoin d'étendre considérablement son antenne, de deux pieds de large à 10 pieds de large, dit Rennich. "Tout le reste reste à peu près le même, " il a dit.

"Petits satellites, de portée similaire au CIRES, peut être un système de rêve du point de vue de la réponse rapide aux catastrophes, " dit Yun. Bien que de petits satellites, comme le CIRES, ne sera pas en mesure d'obtenir la même précision que les systèmes plus grands, ils pourraient obtenir des données plus fréquemment en cas de catastrophe. "Avec de petits satellites, nous pouvons atteindre cet objectif de manière rentable, " dit Yun.