En lugar de mirar al cielo en busca de brillantes ráfagas de colores ardientes, un equipo de investigación pasó el 4 de julio de 2018 mirando hacia abajo a globos ardientes de lava fundida desde un avión de paracaidismo. Atornillado a su avión había un nuevo instrumento de la NASA diseñado para detectar cada vez que el volcán respiraba, mientras su caldera se hinchaba y desinflaba.

El equipo realizó varios vuelos sobre el volcán Kilauea en el Parque Nacional de los Volcanes de Hawaii del 3 al 5 de julio. 2018, para demostrar cómo un nuevo instrumento podría allanar el camino para una futura constelación de pequeños satélites dedicados a monitorear los impactos de la actividad volcánica, terremotos y cambios en la superficie terrestre, dijo Lauren Wye, el investigador principal que dirigió y recientemente concluyó el desarrollo del instrumento en SRI International en Menlo Park, California.

Un mapa global que detalla los cambios de elevación de la tierra a lo largo del tiempo puede ayudar a los científicos a identificar el movimiento del suelo antes, durante y después de terremotos y erupciones volcánicas, y ayudar a identificar los impactos de las inundaciones y el bombeo de aguas subterráneas. "El radar de imágenes CubeSat para ciencias de la tierra, o CIRES, puede ayudar a los responsables de la toma de decisiones y a los administradores de emergencias a obtener observaciones antes de un evento peligroso para que estén mejor preparados para hacer frente al socorro en casos de desastre, "Dijo Wye.

Aunque la erupción de Kilauea afectó más de 50 millas cuadradas de tierra, deformación del suelo, o un cambio en la elevación de la tierra, no siempre es perceptible para el ojo humano. La tecnología altamente especializada como el nuevo instrumento de Wye puede identificar y registrar estos cambios.

CIRES está equipado con un radar de apertura sintética interferométrica de banda S (InSAR). El radar de banda S puede penetrar a través de la vegetación y llegar al suelo. CIRES toma dos imágenes de radar de un área específica desde aproximadamente la misma posición en el espacio en dos momentos diferentes y luego procesa las dos imágenes para determinar la diferencia entre ellas.

Las Academias Nacionales de Ciencias, Encuesta Decadal 2017 de Ingeniería y Medicina, "Prosperar en nuestro planeta cambiante:una estrategia decenal para las observaciones de la Tierra desde el espacio, "recomienda que la NASA utilice las mediciones de InSAR para ayudar a abordar la dinámica de los terremotos, volcanes, derrumbes, glaciares, las aguas subterráneas y el interior de la Tierra.

Una constelación de pequeños satélites InSAR podría trabajar en conjunto con la Misión SAR NASA-ISRO (NISAR), que es el primer satélite InSAR dedicado de la NASA actualmente en desarrollo. Múltiples satélites pequeños podrían recopilar datos frecuentes sobre procesos en rápida evolución, como erupciones volcánicas, terremotos y deslizamientos de tierra, agregando a los datos globales sistemáticos de NISAR.

Érase un radar

Tradicionalmente, los investigadores monitorean la deformación del suelo con sensores en el suelo y el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Las mediciones de InSAR son complementarias a las mediciones de tierra y, a menudo, pueden guiar cómo se instalan los sensores de tierra. "Los datos de InSAR han revolucionado la forma en que vemos los terremotos y los volcanes, "Kyle Anderson, un geofísico del Servicio Geológico de EE. UU., dijo.

En orbita, una serie de pequeños satélites InSAR podrían mirar hacia abajo y registrar cambios en la deformación del suelo. "Los volcanes a menudo se inflarán con magma antes de que hagan erupción, ", Dijo Anderson. Anderson trabajó con el equipo CIRES en Kilauea." Aunque es difícil predecir qué tan grande o cuánto durará la erupción, podemos decir, este volcán comenzó a inflarse y hay una mayor probabilidad de que entre en erupción ".

El proyecto CIRES comenzó en enero de 2015 en SRI International con fondos de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra de la NASA para desarrollar el hardware electrónico de radar del instrumento durante dos años. Luego recibió tres años adicionales de financiación para preparar el radar para el espacio, demostrar las capacidades de obtención de imágenes a través de aviones, incluidas las aeronaves a bordo y pilotadas a distancia, y hacer avanzar una antena de despliegue espacial para completar el instrumento.

"InSAR ha sido particularmente útil para comprender mejor los volcanes en áreas remotas, "Anderson dijo. Por ejemplo, la tecnología ayudó a los científicos a notar la deformación cerca del grupo de volcanes Three Sisters en el centro de Oregon de 1997 a 2001. InSAR identificó la deformación en un área que vio por última vez una erupción 1, Hace 500 años. Debido a los cambios observados, el USGS instaló sismómetros, Estaciones de GPS y equipo de monitoreo de gas para verificar otros signos de actividad. En 2004, esos instrumentos detectaron un enjambre de 300 pequeños terremotos.

"InSAR le permite obtener amplias áreas de cobertura y ver cómo una parte de la caldera del volcán está cambiando en relación con otra parte, "Patrick Rennich, el jefe de diseño de experimentos y procesamiento de señales de CIRES, dijo. Típicamente, Los investigadores colocan un número limitado de sensores GPS en partes específicas del volcán para monitorear cualquier movimiento. "CIRES debería poder cubrir toda la caldera, "Dijo Rennich.

Pasos al espacio

Durante el desarrollo, "el equipo tuvo muchos contratiempos, "Dijo Wye. Sin embargo, con cada hipo como un vuelo de prueba retrasado, el equipo se volvió innovador. "Dio lugar a muchos ejercicios divertidos, "Dijo Wye.

Uno de esos ejercicios vio al equipo amarrando el instrumento a un automóvil en movimiento. Condujeron el auto que llamaron "CarSAR, "a lo largo de carreteras elevadas en el Área de la Bahía del Norte de California a principios de 2018 para ver cómo CIRES recogería información en un valle debajo". Pero realmente necesitábamos subir más alto para probar nuestros datos, "Dijo Wye.

Cuando el volcán Kilauea comenzó a entrar en erupción en mayo de 2018, vieron su oportunidad. El 4 de julio 2018, la lava fluía y la caldera del volcán colapsaba. CIRES obtuvo con éxito el SAR, o imágenes instantáneas, pero no pudo obtener InSAR, o imágenes de comparación, sobre Kilauea, en parte porque, "Era difícil volar exactamente por el mismo camino todos los días, "Dijo Rennich.

Los vuelos sobre Kilauea, entre otras pruebas de campo, ayudó al equipo a aprender lo que funcionó y lo que no funcionó mientras desarrollaban el instrumento. Pudieron optimizar CIRES para mejorar su gestión de energía, Talla, capacidades del sensor y capacidad para soportar el calor.

En diciembre de 2019, el equipo volvió a amarrar CIRES, con hardware y software actualizados, a un avión generalmente reservado para paracaidismo comercial y voló 10, 000 pies por encima de una instalación de entrenamiento del ejército en Indiana. "Resulta que los operadores de paracaidismo se sienten muy cómodos volando con la puerta abierta, "Dijo Rennich.

El equipo voló CIRES sobre una aldea inundada simulada en el Centro de Capacitación Urbana de Muscatatuck para comprender mejor las firmas de radar en un entorno urbano inundado. El vuelo también produjo datos que podrían mejorar los algoritmos que cuantifican el alcance de las inundaciones y los daños relacionados. La Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra y el Programa de Desastres de la NASA ayudó a financiar los vuelos y el análisis de los datos del CIRES.

"Al montar CIRES en un avión, Podríamos volar en diferentes ángulos y ver cómo las diferentes orientaciones de los edificios afectan la forma en que aparecen en las imágenes de radar debido a las inundaciones. "Sang-Ho Yun, un geofísico y coinvestigador de este proyecto en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, dijo. "Las inundaciones son como un fantasma, ", Dijo Yun; su naturaleza efímera hace que sea difícil evaluar la precisión de las técnicas de mapeo de inundaciones.

El equipo también realizó un experimento en el que controlaron el movimiento en el suelo para probar CIRES. Durante el vuelo de Indiana, "Uno de nuestros colegas en el suelo elevaba los reflectores de metal plateado de medio centímetro a un centímetro para mostrar que podemos detectar ese nivel de cambio, "Dijo Rennich. Esto ayudó a demostrar que CIRES recopiló datos InSAR precisos.

Los vuelos tuvieron éxito en parte porque el equipo pudo volar CIRES por el mismo camino varias veces seguidas. lo que no pudieron hacer en Hawái. "Implementamos un mejor sistema de navegación piloto, "Rennich dijo, lo que permitió al equipo volar a unos pocos pies de donde habían volado el día anterior. En Hawaii, Luego volaron aproximadamente a 500 pies del rumbo del día anterior.

"Cuando estás en el espacio, la trayectoria es mucho más repetible, "Rennich dijo, porque cada satélite está en un lugar predecible, curso rastreable.

Para que el equipo haga CIRES, o un instrumento similar a CIRES que funciona en el espacio, tendrían que extender significativamente su antena, de dos pies de ancho a 10 pies de ancho, Dijo Rennich. "Todo lo demás permanece prácticamente igual, " él dijo.

"Pequeños satélites, similar en alcance a CIRES, puede ser un sistema de ensueño desde el punto de vista de la respuesta rápida a desastres, "Dijo Yun. Aunque son pequeños satélites, como CIRES, no podrá obtener la misma precisión que los sistemas más grandes, podrían obtener datos con más frecuencia cuando ocurre un desastre. "Con pequeños satélites, podemos lograr ese objetivo de manera rentable, "Dijo Yun.