NASA tìm kiếm nhật thực để giúp hiểu hệ thống năng lượng của Trái Đất

Anonim

Đó là một chiều tối, nhưng trời tối ở một khu vực ở Boulder, Colorado vào ngày 3 tháng 8 năm 1998. Một đám mây dày xuất hiện trên đầu và mờ đi dưới đất trong hơn 30 phút. Các máy đo phóng xạ hiệu chuẩn cho thấy có rất ít ánh sáng chiếu vào mặt đất, đủ thấp để các nhà nghiên cứu quyết định mô phỏng sự kiện thú vị này bằng các mô hình máy tính. Bây giờ vào năm 2017, lấy cảm hứng từ sự kiện ở Boulder, các nhà khoa học NASA sẽ khám phá nhật thực mặt trời để tìm hiểu thêm về hệ thống năng lượng của Trái Đất.

Vào ngày 21/8/2017, các nhà khoa học đang tìm kiếm nhật thực toàn phần của năm nay đi qua Mỹ để cải thiện khả năng mô hình hóa năng lượng của Trái đất. Guoyong Wen, một nhà khoa học NASA làm việc cho Đại học Morgan State ở Baltimore, đang dẫn đầu một nhóm thu thập dữ liệu từ mặt đất và vệ tinh trước, trong và sau nhật thực để họ có thể mô phỏng nhật thực năm nay bằng mô hình máy tính tiên tiến, gọi là 3- D mô hình chuyển giao bức xạ. Nếu thành công, Wen và nhóm của ông sẽ giúp phát triển các tính toán mới để cải thiện ước lượng lượng năng lượng mặt trời của chúng ta, và sự hiểu biết của chúng ta về một trong những người chơi chủ chốt trong việc điều tiết hệ thống năng lượng của Trái đất, mây.

Hệ thống năng lượng của Trái đất là một điệu nhảy liên tục để duy trì sự cân bằng giữa bức xạ tới từ mặt trời và bức xạ ra từ Trái đất tới không gian, mà các nhà khoa học gọi là ngân sách năng lượng của Trái đất. Vai trò của các đám mây, cả hai đều dày và mỏng, rất quan trọng trong ảnh hưởng của chúng đến sự cân bằng năng lượng.

Giống như một đám mây khổng lồ, mặt trăng trong tổng nhật thực toàn phần năm 2017 sẽ tạo ra một bóng lớn trên một dải của Hoa Kỳ. Wen và nhóm của ông đã biết kích thước và tính chất chặn ánh sáng của mặt trăng, nhưng sẽ sử dụng các công cụ không gian và mặt đất để tìm hiểu cách bóng lớn này ảnh hưởng đến lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt Trái đất, đặc biệt là xung quanh các cạnh của bóng.

"Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể sử dụng các phép đo từ mặt đất và từ không gian để mô phỏng bóng của mặt trăng đi qua mặt Trái Đất ở Hoa Kỳ và tính toán năng lượng tới Trái đất", Wen nói. Các nhà khoa học đã thực hiện các phép đo khí quyển rộng rãi trong thời gian trước, nhưng đây là cơ hội đầu tiên để thu thập dữ liệu phối hợp từ mặt đất và từ một tàu vũ trụ quan sát toàn bộ Trái Đất có ánh sáng mặt trời trong suốt nhật thực. (DSCOVR) vào tháng 2 năm 2015.

Mặc dù mặt trăng chặn mặt trời trong nhật thực và mây che ánh sáng mặt trời với bề mặt Trái đất là hai hiện tượng khác nhau, cả hai đều yêu cầu tính toán toán học tương tự để hiểu chính xác hiệu ứng của chúng. Wen dự đoán thí nghiệm này sẽ giúp cải thiện các tính toán mô hình hiện tại và kiến ​​thức của chúng ta về mây, đặc biệt là những đám mây dày đặc, thấp có thể che phủ khoảng 30% hành tinh tại bất kỳ thời điểm nào.

Trong thí nghiệm này, Wen và nhóm của ông sẽ mô phỏng nhật thực toàn phần trong mô hình chuyển giao bức xạ 3 chiều, giúp các nhà khoa học hiểu được năng lượng được truyền trên Trái Đất như thế nào. Hiện tại, các mô hình có xu hướng mô tả các đám mây ở một chiều. Trong nhiều trường hợp, các phép tính một chiều này có thể tạo ra các mô hình khoa học hữu ích để hiểu được bầu không khí. Đôi khi, một tính toán ba chiều là cần thiết để cung cấp kết quả chính xác hơn. Điểm khác biệt lớn nhất là các đám mây 3-D phản xạ hoặc phân tán năng lượng mặt trời theo nhiều hướng, từ trên xuống dưới, và cũng ở ngoài các đám mây. Hành vi 3-D này dẫn đến các lượng năng lượng khác nhau tiếp cận mặt đất hơn là một mô hình một chiều có thể dự đoán được.

"Chúng tôi đang thử nghiệm khả năng thực hiện một phép tính phức tạp nhất định, một thử nghiệm của một kỹ thuật toán học 3-D, để xem đây có phải là một cải tiến so với kỹ thuật trước đây không", Jay Herman, nhà khoa học tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA cho biết. ở Greenbelt, Maryland, và điều phối viên của dự án. "Nếu điều này thành công, thì chúng ta sẽ có một công cụ tốt hơn để thực hiện trong các mô hình khí hậu và có thể sử dụng nó để trả lời các câu hỏi và ngân sách năng lượng và khí hậu của Trái Đất." Đối với nhật thực sắp tới, Wen và các thành viên trong nhóm sẽ đóng quân tại Casper, Wyoming và Columbia, Missouri để thu thập thông tin về lượng năng lượng được truyền tới và từ Trái đất trước, trong và ngay sau nhật thực với một vài công cụ mặt đất.

Một thiết bị phổ kế Pandora phát triển trên mặt đất của NASA sẽ cung cấp thông tin về lượng ánh sáng bước sóng được đưa ra, và một pyranometer sẽ đo tổng năng lượng mặt trời từ mọi hướng đi xuống bề mặt. Ngay trước và sau khi các nhà khoa học nhật thực sẽ đo các thông tin khác như lượng hấp thụ khí trong khí quyển, chẳng hạn như ozone, nitrogen dioxide và các hạt aerosol nhỏ cũng được sử dụng trong mô hình 3-D.

Trong khi đó trong không gian, Máy ảnh hình ảnh đa tinh thể Trái Đất của NASA, hoặc EPIC, thiết bị trên tàu vũ trụ DSCOVR, sẽ quan sát ánh sáng rời khỏi Trái đất và cho phép các nhà khoa học ước tính lượng ánh sáng chiếu vào bề mặt trái đất. Ngoài ra, hai thiết bị vệ tinh MODIS của NASA, trên các vệ tinh Terra và Aqua của cơ quan, được đưa ra vào năm 1999 và 2002, sẽ cung cấp các quan sát về điều kiện khí quyển và bề mặt vào những thời điểm trước và sau nhật thực. Các nhà khoa học sau đó sẽ kết hợp các phép đo mặt đất với các phép đo được quan sát bởi tàu vũ trụ.

Thử nghiệm này bổ sung cho cam kết lâu dài của NASA để quan sát và hiểu những đóng góp cho ngân sách năng lượng của Trái đất. Trong hơn 30 năm, NASA đã đo đạc và tính toán lượng năng lượng mặt trời chạm vào bầu khí quyển của chúng ta, lượng năng lượng mặt trời phản chiếu lại không gian và lượng năng lượng nhiệt phát ra từ hành tinh chúng ta đến không gian. Các phép đo này có thể nhờ vào các công cụ và nhiệm vụ như ACRIMSAT và SOLSTICE (ra mắt vào năm 1991), và SORCE, ra mắt vào năm 2003 cũng như hàng loạt các dụng cụ CERES bay trên Terra, Aqua và Suomi-NPP (ra mắt vào năm 2011) .

Mùa thu này, NASA sẽ tiếp tục theo dõi mối quan hệ Mặt trời-Trái đất bằng cách tung ra Cảm biến Ánh sáng Mặt trời Tổng và Quang phổ-1, hoặc TSIS-1, tới Trạm Vũ trụ Quốc tế và Đám mây thứ sáu và công cụ CERES của Hệ thống Năng lượng bức xạ Trái đất, CERES FM6, lên quỹ đạo vào cuối năm nay. Năm công cụ CERES hiện đang trên quỹ đạo trên ba vệ tinh.

menu
menu