ADM-Aeolus
ADM-Aeolus (Foto: Esa)

Aeolus - mer nøyaktig værvarsel

Den var nesten umulig å bygge - endelig er ESAs mareritt-satellitt klar til oppskytning

Skal bidra til mer nøyaktige værmeldinger.

  • Romfart

Snart vil satellittmålinger av vindhastigheter i atmosfæren bidra til mer nøyaktige værmeldinger. Men den nye satellitten var nesten umulig å bygge.

ESAs nyeste satellitt, Aeolus, befinner seg akkurat nå ombord på skipet Ciudad de Cadiz i Atlanterhavet på vei til havnebyen Degrad des Cannes i Fransk Guyana. Herfra skal den skytes opp fra ESAs oppskytningsanlegg i Kourou 21. august med en Vega-­rakett.

Det er en svært uvanlig transportform, siden satellitter ellers alltid sendes med fly til Fransk Guyana. Men Aeolus er da også en helt usedvanlig satellitt. Det gjelder både oppdraget dens, instrumentene i den, og ikke minst det marerittet det har vært å utvikle satellitten, som har slått alle rekorder i forsinkelser.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen.

 

Selv NASAs avløser for romteleskopet Hubble, James Webb-rom­teleskopet, som også har vært utsatt for enorme budsjettoverskridelser og havarerte tidsplaner, er fremdeles ikke så forsinket som den mye enklere europeiske satellitten.

La oss først se nærmere på formålet og deretter problemene med å bygge satellitten og måleinstrumentene i den, og til slutt forklaringen på hvorfor ESA ikke tok sjansen på å sende satellitten med fly til Fransk Guyana.

Et startverdiproblem

Matematisk sett er beregninger av værutsikter et startverdiproblem, hvor man løser et system av koblede differensialligninger, som man i prinsippet har kjent til i over100 år.

Nøyaktigheten av værprognoser avhenger av to forhold. For det første hvor godt man er i stand til å løse disse differensialligningene, og hvor finmasket nett man kan gjøre det i. Det krever superdatamaskiner, og det har ikke minst i løpet av de siste årene skjedd en avgjørende forbedring i forhold til i 1950, hvor man måtte bruke 24 timer til å løse ligninger som beskrev været 24 timer lenger fram i tiden …

Det andre forholdet er hvor godt man kjenner startbetingelsene. Også her har det skjedd avgjørende forbedringer, i takt med at observasjoner fra Jorden og fra rommet gir stadig flere data.

Men meteorologene mangler fremdeles i vesentlig grad data for vindhastighetene i atmosfæren. De samles i dag inn med observasjon fra fly og værballonger, men dataene er sporadiske når det gjelder dekning av jordkloden og vinddata fra ulike høyder.

Hvordan blåste det for fem dager siden?

Da Aeolus ble vist fram i Toulouse i Frankrike hos Airbus Defence & Space, som har bygd satellitten, ga Alain Dabas – som leder en forskningsgruppe hos Meteo France – et svært konkret eksempel på en værsituasjon over Europa i mars 2014. Denne utviklet seg helt annerledes enn forventet. Og årsaken til de feilaktige forventningene var at man ikke hadde kjent vindhastighetene over Stillehavet utenfor Sør-Amerika fem dager tidligere.

Det er blant annet på bakgrunn av dette, at World Meteorological Organization har påpekt at vinddata er et av de største hullene i de nåværende glo­bale observasjonssystemene.

Derfor begynte man allerede på 1990-tallet å overveie en vindmålingssatellitt. I 1999 ble Aeolus-oppdraget godkjent med en planlagt oppskytning i 2007.

Kort etter at data blir registrert av Aeolus, vil de gå til European Center for Medium-Range Weather Forecasts i Reading i England, som forsyner alle nasjonale meteorologiske institutter med input til deres egne beregninger.

Det ennå ikke planlagt et permanent system av vindmålingssatellitter som skal levere slike data når Aeolus-oppdraget avsluttes om tre til fire år. Det er opp til Aeolus å vise at en løpende observasjon av vindhastigheter er nyttig for meteorologene.

Det må brukes lidar

Det er vindhastighetene nær Jorden og opp til en høyde av cirka 30 kilometer som meteorologene er interessert i. Men hvis ikke satellitten skal ha med seg uforholdsmessig mye drivstoff, må den fly i en høyde av 300–400 kilometer.

Heldigvis kan man utnytte dopplereffekten for å bestemme vindhastigheten på stor avstand. Hvis man sender ut et elektromagnetisk signal fra satellitten og registrerer endringen i frekvensen av det signalet som kommer tilbake, og som satellitten registrerer, vil denne frekvensendringen være et mål for hastigheten til de partiklene eller molekylene som har spredt det elektromagnetiske signalet.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen:

Dette er nøyaktig det samme prinsippet som brukes ved radarkontroll for å måle bilenes fart på veiene.

Men et radarsignal med en frekvens i mikrobølgeområdet er ikke så veldig brukbart i atmosfæren. Her er det mye bedre å velge frekvenser i det synlige området, og ikke minst i det blå eller ultrafiolette området, der spredningen av lys er størst.

Når himmelen er blå, og solnedgangen er rødlig, er det nettopp fordi blått lys spres mer enn rødt lys i atmosfæren.

Altså trenger man ikke å benytte en radar (hvor ra står for ‘radio’), men en lidar (hvor li står for ‘light’) og aller helst en UV-lidar. Siden spredningen direkte tilbake under alle omstendigheter er svært liten, er det viktig å ha en så kraftig lyskilde som mulig – altså en laser.

Krystall tredobler frekvensen

Der finnes ikke gode ultrafiolette lasere, men det er ikke det helt store problemet. Man kan sende lys fra en såkalt neodymium-YAG-laser med en bølgelengde på 1064 nanometer gjennom en krystall som tredobler frekvensen.

Derved har man UV-lys med en bølgelengde på nesten 355 nanometer, som er svært godt egnet.

Men en slik UV-lidar hadde aldri tidligere vært montert på en satellitt, og det viste seg å være uhyre vanskelig å lage instrumentet på Aeolus, og som går under navnet Atmospheric Laser Doppler Instrument, som forkortes til Aladin.

Effekten til UV-lyset er 80 millijoule. Det er så kraftig at det lett kan skade de optiske elementene. Problemet viste seg å være enda større når instrumentet ble testet i vakuum, siden små forurensingspartikler da lettere satte seg fast på de optiske modulene, og det bidro til en svært rask degradering av systemet.

Oksygen holder systemet i live

Løsningen har dels vært å forsyne Aladin med en oksygenflaske som ganske svakt og kontinuerlig sender oksygen gjennom det optiske systemet. Men coatingen som skulle brukes til de optiske modulene har vært helt avgjørende.

– I realiteten stod vi med Aladin overfor et regulært forskningsprosjekt, og ikke et utviklingsprosjekt, forklarte ESAs Anders Elfving, som ble den tredje og siste prosjektlederen for Aeolus, til danske Ingeniøren.

ESA ba forgjeves om hjelp fra NASA, som svarte slik: «Fortell oss for all del løsningen når dere har funnet den.»

Hele fire generasjoner av nye coatinger måtte utvikles og produseres før man hadde noe som kunne brukes. Hvert forløp tok nærmere på ni måneder, noe som bidro vesentlig til forsinkelsen.

Nå er Aeolus omsider ferdig, og Aladin har gjennomgått så mange og så lange tester at ESA er sikker på at instrumentet skal kunne holde i de 3–4 årene som oppdraget skal foregå i rommet.

Marerittet er over.

Flytur kunne ødelegge instrument

Med en slags tilfredshet kunne sjefen for ESAs jordobservasjonsprogram Josef Aschbacher under presentasjonen i Toulouse konstatere at selv om tidsplanen var overskredet med 290 prosent, hadde omkostningene bare økt med 47 prosent, til 481 millioner euro.

Aladin er naturligvis konstruert for å kunne tåle fallet i det atmosfæriske trykket som vil skje i forbindelse med oppskytningen, men instrumentet vil ikke takle en rask stigning i lufttrykket.

Hvis satellitten hadde blitt sendt med fly til Fransk Guyana, kunne Aladin derfor bli ødelagt hvis flyet av en eller annen grunn skulle miste høyde eller ved en annen form for stigning i lufttrykket.

Derfor er Aeolus nå på vei med skip til raketten som står klar i Kourou.

Artikkelen ble først publisert på ing.dk

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)