Кіріспе

Жерді бақылау спутнигі

NASA-ның QuikSCAT (Quick Scatterometer) спутнигі – Жерді бақылау спутнигі, ол SeaWinds шашыраңқылығын өлшегіш құрылғысын орналастырған. Оның басты міндеті – мұз жатқан аймақтарды қоспағанда, жаһандық мұхиттардағы желдің жылдамдығы мен бағытын су толқындарына тигізетін әсері арқылы өлшеу еді. QuikSCAT-тан алынған мәліметтердің қолданылу саласы кең болды және климаттық зерттеулерге, ауа райы болжамына, метеорологияға, океанографиялық зерттеулерге, теңіз қауіпсіздігіне, коммерциялық балық аулауға, ірі мұз тауларын қадағалауға, сондай-ақ құрлық және теңіз мұздарын зерттеуге үлкен үлес қосты. Бұл SeaWinds шашыраңқылығын өлшегіші, ADEOS 2 спутнигіндегі шамамен осыған ұқсас SeaWinds шашыраңқылығын өлшегіш құрылғысынан ерекшелену үшін QuikSCAT шашыраңқылығын өлшегіші деп аталады.

Миссияның сипаттамасы

QuikSCAT 1999 жылдың 19 маусымында 3 жылдық міндеттемемен ұшырылды. QuikSCAT – бұл NASA Scatterometer (NSCAT) құрылғысын ауыстырған “жылдам қалпына келтіру” миссиясы, ол 1997 жылдың маусымында 9,5 ай жұмыс істегеннен кейін мерзімінен бұрын істен шықты. QuikSCAT, алайда, осы жобалаудан күткен нәтижелерден әлдеқайда асып, он жылдан астам уақыт бойы жұмыс істеді. 2009 жылдың 23 қарашасында антенналық қозғалтқышындағы подшипник бұзылуына дейін QuikSCAT-тың жер үстіндегі желді анықтау қабілеті тоқтатылды. QuikSCAT-тың геофизикалық деректері 1999 жылдың 19 шілдесінен 2009 жылдың 21 қарашасына дейін сақталған. Осы күннен кейін антенна айналу мүмкіндігін жоғалтса да, оның радиолокациялық қабілеттері толығымен сақталды. 2018 жылдың 2 қазанында миссияны толық тоқтатуға дейін осы режимде жұмысын жалғастырды. Миссияның осы режиміндегі деректер басқа Ku жолақты шашыраңқылықтарымен салыстыру арқылы басқа спутниктік жел деректерінің дәлдігін жақсарту үшін пайдаланылды. QuikSCAT 1800 км ені бар өлшемді жолақтарда желді өлшеді, бұл өлшемдер спутниктің жер бетіндегі траекториясымен центрленген және NSCAT сияқты желді сәулелендіретін құрылғыларда кездесетіндей тік бұрыштың болмауына ие. Кең жолағы мен жолақтағы саңылаулардың болмауының арқасында QuikSCAT әлем мұхиттарының 93%-ынан күн сайын кемінде бір векторлық жел өлшемін жинауға мүмкіндік алды. Бұл NSCAT-тың 77%-ға жуық қамту деңгейінен едәуір жоғары. Күн сайын QuikSCAT желдің жылдамдығы мен бағытын 400 000-нан астам рет тіркеді. Бұл кемелер мен буйлардан әдеттегіден жүздеген есе көп өлшемдерді құрайды. QuikSCAT 25 км кеңістіктік ажыратымдылықпен теңіз бетінен 10 метр биіктікте желдің жылдамдығы мен бағытын өлшеді. Жел туралы ақпаратты жағалаудан 15-30 км қашықтықта немесе теңіз мұзы болған жағдайда алу мүмкін емес. Жауын-шашын өлшемдердің дәлдігін төмендетсе де, орта ендіктер мен тропикалық циклон аймақтарында бақылау мақсатында пайдалы жел және жаңбыр туралы ақпарат алуға болады. QuikSCAT сияқты шашыраңқылықтар мұхит үстіндегі желді өлшеуден басқа, теңіз мұзының жабылу деңгейі туралы ақпарат бере алады, 5 км-ден ұзын мұзтауларды қадағалай алады, мұз бен қардың түрлерін ажырата алады және полярлық аймақтардағы тоңу-еру шегін анықтай алады. Айналатын антенна енді жобаланғандай айнала алмайтын болса да, құралдың қалған бөлігі жұмыс істейді және деректерді беру мүмкіндігі сақталған, бірақ ол беткі желдің векторлық өлшемдерін анықтай алмайды. Алайда ол әлі де белгілі бір азимут бұрышында радиолокациялық кері шашырауды өлшеуге болады. QuikSCAT осы төмендетілген режимде басқа шашыраңқылықтарды салыстыру үшін пайдаланылады, бұл орбитадағы шашыраңқылық платформаларында ұзақ мерзімді және тұрақты жел деректерін қамтамасыз етуді көздейді, соның ішінде Еуропалық метеорологиялық спутниктік ұйымның (EUMETSAT) MetOp A және MetOp B спутниктеріндегі Advanced Scatterometer (ASCAT), Үндістанның ISRO басқаратын Oceansat 2 шашыраңқылығы және Қытайдың Ұлттық спутниктік мұхит қолдану қызметі басқаратын HaiYang 2A (HY 2A) шашыраңқылығы, сондай-ақ әзірленіп жатқан NASA-ның болашақ шашыраңқылық миссиялары. 2011 жылы NASA-ның Жоғары деңгейдегі комиссиясы QuikSCAT миссиясын осы өзгертілген мақсаттармен 2018 жылға дейін жалғастыруды бекітті. QuikSCAT 2018 жылдың 2 қазанында толықтай тоқтатылды деп жарияланды.

Құралдың сипаттамасы

SeaWinds екі фокусталған сәулелі айналмалы табақша антеннаны пайдаланды, олар шеңбер тәрізді үлгімен қозғалады. Антеннаның диаметрі 1 метр болатын айналатын табақтан құралады, ол екі фокусталған сәуле шығарады, олар шеңбер тәрізді үлгіде қозғалады. Ол 189 Гц импульстік қайталану жиілігінде (PRF) 110 Вт микротолқын импульстарын сәулелендіреді. QuikSCAT 13,4 ГГц жиілігінде жұмыс істейді, бұл микротолқын жиіліктерінің Ku диапазонында. Бұл жиілікте атмосфера жауын-шашын жасамаған бұлттар мен аэрозольдерге көбінесе өткізгіш, бірақ жаңбыр сигналдың маңызды өзгерісін тудырады. Ғарыш аппараты Күнмен синхронды орбитада, экваторды кесіп өту уақыты шамамен 06:00 жергілікті уақыт (LST) ±30 минут. Экватор бойындағы тікелей жолақтар 2800 км қашықтықта орналасқан. QuikSCAT Жерді 802 км биіктікте және секундтына шамамен 7 км жылдамдықпен айналып өтеді.

Өлшеу қағидаттары

Шашырағыштар, мысалы QuikSCAT, төмен қуатты микротолқынды сәулелендіру импульстарын шығарады және желдің құрғақ бетінен кері шашыраған қуатты қабылдағыш антеннасына өлшейді. Желдің тудырған теңіз бетіндегі гравитациялық және капиллярлық толқындар, негізінен Брагг резонансы жағдайында, шашырағыш радардан шығарылған қуатты шашыратады немесе кері шашыратады. Бұл толқындардың ұзындығы шамамен 1 см және әдетте жергілікті желмен тепе-теңдікте болады. Су бетінде микротолқынды кері шашырау желдің жылдамдығы және бағытымен тығыз байланысты. Беттік толқындардың нақты ұзындығы шашырағыш радарынан шығарылатын микротолқынды сәулеленудің ұзындығымен анықталады. QuikSCAT белсенді микротолқынды радардан тұрады, ол радарлық кері шашырау қимасының өлшеулеріне негізделген (σ0 деп белгіленеді) теңіз бетінің құрғақтығынан жер үсті желдерін анықтайды. σ0 антенна азимуты, түсу бұрышы, поляризация және радар жиілігіне қатысты беттік желдің жылдамдығы мен бағытына байланысты өзгереді. QuikSCAT екі сәулелі, конустық сканерлеу антеннасын пайдаланады, ол әр антенна айналымы кезінде азимут бұрыштарының толық диапазонын қамтиды. Кері шашырау өлшеулері 46° және 54° тұрақты түсу бұрыштарында жүзеге асырылады, бұл әртүрлі түсу бұрыштарында беттің әр аймағын төрт рет көруге мүмкіндік береді. QuikSCAT өлшеулерінің стандартты өңдеуі шамамен 25 км кеңістіктік ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. 12,5 км кеңістіктік ажыратымдылық арнайы өңдеу арқылы да қол жеткізіледі, бірақ өлшеу шуы айтарлықтай жоғары. Сонымен қатар, 5 км кеңістіктік ажыратымдылық та қол жеткізіледі, бірақ тек шектеулі аймақтарда және ерекше жағдайларда ғана. σ0 бақылаулары теңіз бетінен 10 метр биіктіктегі желдің жылдамдығы мен бағытына калибрленеді.

Құрылыс және іске қосу

1996 жылы NASA Scatterometer (NSCAT) спутнигі Жапонның Жерді қадағалауға арналған кеңейтілген спутнигі (ADEOS 1) арқылы ұшырылды. Бұл спутник әлемдік су бетіндегі желдің жылдамдығын бірнеше жыл бойы тіркеу үшін жасалған. Алайда, 1997 жылы болған күтпеген ақаулық NSCAT жобасын мерзімінен бұрын тоқтатуға әкеп соқты. Осы қысқа ғана сәттілікten кейін, NASA бұзылған спутниктің орнына жаңа спутник құрастыруды бастады. Екі спутник арасындағы деректердің үзілісін азайту үшін оны мүмкіндігінше жылдам жасап, ұшыруға дайындау жоспарланды. Тек 12 айдың ішінде Quick Scatterometer (QuikSCAT) спутнигі құрастырылып, ұшыруға дайын болды, бұл 1950 жылдардан бергі NASA-ның кез келген басқа миссиясынан жылдам болды. QuikSCAT жобасының бастапқы бюджеті 93 миллион долларға бағаланды, ол физикалық спутник, ұшыру ракетасы және оның ғылыми миссиясын қолдауды қамтыды. 1998 жылдың қараша айындағы бірнеше ракета апаттары Titan (ракеталар отбасы) ұшыру құрылғыларын тоқтатты, QuikSCAT-тің ұшырылуын кешіктірді және бастапқы құнға 5 миллион доллар қосты. Жаңа құрастырылған спутник Калифорниядағы Ванденберг әуе базасынан Titan II ракетасымен ұшырылуға дайындалды. Ракета 1999 жылдың 19 маусымында сағат 19:15-те ұшырылды. Ұшырылғаннан кейін шамамен екі минут 30 секунд өткен соң, бірінші қозғалтқыш өшіріліп, екіншісі Баха-Калифорния түбегінің үстінен өтетін кезде іске қосылды. Бір минуттан кейін, ракетаның жоғарғы бөлігіндегі мұрындық бөлігі екіге бөлінді. 16 секундтан кейін, спутникті күннен қорғау үшін ракета бағыты өзгертілді. Келесі 48 минут ішінде екі аппарат Антарктидадан, содан кейін Мадагаскардан өтіп, ракета 805 шақырым (500 миль) биіктікке жетті. Ұшырылғаннан кейін 59 минут өткен соң, спутник ракетадан бөлініп, Жер төңірегіндегі тұрақты орбитаға шығарылды. Содан кейін күн батареялары ашылды және сағат 20:32-де Норвегиядағы бақылау станциясымен байланыс орнатылды. Келесі екі аптада спутник өзінің орнын нақтылау және қажетті траекторияны түзету үшін қозғалтқыштарын пайдаланды. 7 шілдеде, ұшырылғаннан кейін 18 күн өткен соң, шашыраңқылық өлшегіш іске қосылды және 12 адамнан тұратын команда QuikSCAT-тің жұмысын егжей-тегжейлі қарады. Орбитаға шыққаннан кейін бір ай өткен соң, команда тексерулерді аяқтады және QuikSCAT кері шашырау өлшемдерін жинауды және таратуды бастады. АҚШ-тың Ұлттық қоршаған ортаны болжау орталығы (NCEP) және Еуропалық орта мерзімдік ауа-райы болжау орталығы (ECMWF) 2002 жылдың 13 қаңтары мен 22 қаңтарында QuikSCAT желдерін пайдалануды бастады. QuikSCAT жер үстіндегі желдері 2000 жылдан бері АҚШ Ұлттық дауылдар орталығында талдау және болжам жасау үшін маңызды құрал болды. QuikSCAT жел өрістері АҚШ-тың Мұхитты болжау орталығы мен АҚШ Ұлттық ауа-райы қызметінде тропикалық аймақтан тыс экстратропикалық циклондарды және теңіз ауа-райын талдау және болжау үшін де қолданылды. Деректер сонымен қатар мұз жабылмаған жаһандық мұхиттардың көп бөлігі бойынша, оның ішінде Оңтүстік мұхит және шығыс тропикалық Тынық мұхиты сияқты деректердің аз жиналған аймақтарында да нақты уақытта берілді. QuikSCAT бақылаулары осы пайдаланушыларға метеорологиялық деректерді екілік әмбебап форматта (BUFR) ұсыну үшін Ұлттық мұхит және атмосфералық басқармасы / Ұлттық қоршаған ортаны қадағалау спутниктік деректер және ақпарат қызметі (NOAA/NESDIS) арқылы дерлік нақты уақытта (NRT) берілді. Деректерді күту мерзімі 3 сағат, ал барлық деректердің көбі 3,5 сағат ішінде қол жетімді. Осы талаптарды орындау үшін QuikSCAT NRT деректерді өңдеу алгоритмдері ең жоғасырақ дәлдіктегі кері шашырау өлшемдерін ғылыми деректер алгоритмдеріне қарағанда аз сандағы композиттерге біріктіреді. Басқа жағдайларда QuikSCAT NRT өңдеу алгоритмдері ғылыми деректер алгоритмдерімен бірдей.

Тропикалық циклон

QuikSCAT спутнигінің тропикалық циклонды талдау және болжау жөніндегі Ұлттық дауылдар орталығындағы қолданылуы тропикалық циклонның ортасын анықтау, оның қарқындылығын бағалау және жел радиусын талдауды қамтиды. 2007 жылы сол кездегі Ұлттық дауылдар орталығының басшысы Билл Проенза QuikSCAT спутнигінің жоғалтылуы дауылдар болжамының сапасына нұқсан келтіретінін жариялады. Ол QuikSCAT спутнигінен айырылғаннан кейін үш күндік болжамдардың шамамен 16%-ға дәлдігі төмендеуі мүмкін екенін айтты. Спутник дауылдың орны мен қарқындылығын болжауға көмектессе де, бұл функцияны ол ғана атқара алмайды.

2009 жылғы подшипниктің істен шығуы

[[Файл:QuikSCAT соңғы суреті.gif|thumb|left|QuikSCAT деректерінен алынған соңғы сурет (екі GOES суретінің үстіне орналасқан), антенна айналуын тоқтатуға аздай қалғанда түсірілген. Суреттегі көрсетілген аумақпен салыстырғанда жел деректерінің қаншалықты шағын бөлігін байқаңыз. Іс жүзінде жұмыс істемей қалғаннан кейін, спутниктің миссиясы аяқталғаны және одан әрі қолданылмауы мүмкін екені жарияланды. Спутниктің сенсоры шамамен 0700 UTC уақытында істен шыққандығы расталды. Бұл ақаулық тек дереу сканерлеу жабдықтарына ғана әсер етті, ал ұзақ мерзімді деректерді жинау тоқтатылмай, жұмыс істеуін жалғастырды. NASA мәлімдемесіне сәйкес, бұл ақаулық спутниктің өмірлік мерзімінің аяқталуына байланысты болды. Айналу механизмі бес жылға есептелген, бірақ ол шамамен он жыл бойы, күтілгеннен екі есе ұзақ жұмыс істеді. 24 қарашада NASA басшылары спутниктің қаншалықты зардап шеккенін және айналатын антеннаны қайта іске қосуға болатынын бағалауға кірісті. Сондай-ақ, QuikSCAT істен шыққан жағдайда қолданылатын жоспарлар да қарастырылды.