CryoSat´s radarsystem prøvet i Østersjøen

Det finske havforskningsfartøyet Aranda kan Østersjøen utenat. The Finnish Institute of Marine Research sender det flere ganger om året til Østersjøen – og noen ganger enda lengre av gårde til Antarktis – for å gjøre andre typer målinger og observasjoner. Aranda, juvelen i kronen for finsk havforskning, har vært brukt til meget, men oppdraget i mars var annerledes. Oppdraget var å validere en romradar som ikke hadde vært brukt i rommet.

SIRAL, som CryoSat-radaren kalles, er et nytt instrument som skal avsøke det globale isdekket med centimeters nøyaktighet. SIRAL utnytter avansert radarteknikk for å oppnå bedre oppløsning og observasjonspotensiale. Navnet (av Synthetic aperture Interferometric Radar Altimeter) reflekterer disse forbedringene, som skal brukes til måling av havis-tykkelse og overvåkning av tykkelsesendringer i isdekke på land, spesielt ved kantene der endringer utvikler seg hurtig.

Flere radar-høydemålere har vært benyttet i rommet tidligere, men virkemåten har vært annerledes. De har nemlig sendt ut en kort radarpuls og målt tiden det tar signalet å tilbakelegge strekningen fra satellitten eller romfartøyet ned til bakken og tilbake. CryoSat-høydemåleren sender en skur av pulser med et kortere intervall mellom. Når retur-skurene korreleres og ved å behandle hele skuren umiddelbart, kan prosessoren splitte ekkoet i striper på tvers av banen ved å utnytte den lille frekvensendringen – Doppler-effekten – som opptrer i de forover- og bakovervendte delene av strålen. På den måten vil SIRAL-systemet overgå alle tidligere radarsystemer for istykkelse-målinger – pluss en god del andre også.

Oppgaven til Aranda var å validere radarmålingene. En nøyaktig kopi av CrySat´s SIRAL ble installert i et tysk forskningsfly av typen Dornier 228, som ble fløyet over isen i den nordligste del av Østersjøen mellom Sverige og Finland. Jobben for Aranda og dets forskermannskap var å foreta virkelige målinger av isens tykkelse, morfologi og temperatur samtidig med flyobservasjonene.

Ved å sammenligne informasjonene samlet av radaren og fartøyet er det mulig å validere radarmålingene. Is-mofologi (isdekkets form), istykkelsen, temperaturen og eventuell sne på isen vil påvirke det reflekterte signalet.

Spesielt kan sne på isen forvirre radaren, for vekten av sneen har en tendens til å dytte isen lengre ned i vannet. CryoSat, som omsetter høyden av isoverflaten over vannlinjen til tykkelsesdata, vil nemlig kunne undervurdere den virkelige istykkelsen. Det er derfor denne typen validering er viktig, fordi den forteller hvor nøyaktig CryoSat´s tykkelsesmålinger er.

Dette var for øvrig ikke det første valideringsopplegget. Et tidligere CryoSat Validation Experiment (det såkalte CryoVEx 2004) var fokusert på isdekke over land, og ble gjennomført i Grønland og den arktiske delen av Canada. Opplegget i den nordligste del av Østersjøen, eller rettere sagt Den botniske bukt, gjaldt havis. Stedet ble valgt fordi det var lett tilgjengelig og hadde egnede isforhold. Det passet utmerket for valideringen.

Aranda fortøyet seg til havisen onsdag aften 9. mars 2005 omkring 15 km nord for øya Hailuoto. Finske, svenske, tyske og britiske forskergrupper begynte arbeidet neste dag ved å etablere en målelinje for å betemme egenskapene til jevne isflater og pakkis. I tillegg til gruppen fra The Finnish Institute of Marine Research (FIMR) deltok personell fra Alfred Wegner Institute (AWI) i Tyskland, Helsinki University of Technology (HUT), the Scottish Association of Marine Research (SAMS) og the Swedish Institute of Meteorology and Hydrology (SMHI).

Porøsiteten i pakkisen ble målt av den tyske gruppen, og HUT-forskere analyserte snedekket ved å måle vanninnhold, tetthet og krystallstruktur. Den svenske gruppen plasserte markører på isen for å vise bevegelser, og isens tykkelse ble målt fra helikopter utstyrt med elektromagnetiske instrumenter fra AWI. Et HUT SC7 Skyvan fly bidro til registreringene med finske fjernmålingsinstrumenter. Gruppene boret hundrevis av hull i isen for å måle virkelig tykkelse på is og sne.

Og på toppen av det hele foretok altså Dornier-flyets SIRAL-radar observasjoner maken til dem CryoSat vil gjennomføre om bare få måneder.

Til sammen 1600 km data ble samlet fra luften over Den botniske bukt og fra forskjellige høyder langs en kalibreringslinje etablert nær Hailuoto-øya. Kalibreringslinjen gikk over is med ulik tykkelse, fra så lite som 19 cm opp til 20 m. Og den omfattet is med forskjellig topografi, fra det jevne og flate til røffe områder med isrygger.

”Vi har vært meget heldige på mange måter”, sa Jari Haapala, forsker ved FIMR. ”Vi klarte å nå det utpekte området med Aranda forskningsfartøyet, selv om det å bryte seg gjennom den tykkeste isen viste seg å være umulig innimellom. Etter tre dagers kamp fant vi frem til en isforskers paradis. I løpet av de dagene vi gjorde målinger hadde vil kaldt, klart vær slik at logistikken og utstyret virket som det skulle – vi klarte til og med å slappe av i badstuen hver kveld. Vi tok imot sann-tids satellittdata som gjorde oss i stand til å legg opp optimale målemønstre. Fordi havisen driver, var en av de mest utfordrende oppgavene å samle sammenfalne fly- og helikoptermålinger. Vi klarte å utføre disse målingene i klare, rolige værforhold, og forventer å få 120 km med sammenfalne data”.

Selv om resultatet av innsatsen var bedre enn forventet, ble de første målingene en utfordring. Været var vanskelig og Aranda, godt utstyrt for harde vinterforhold, beveget seg bare noen få kilometer i timen. De største målte istykkelsene var 20 m. Endelig, under hoveddelen av målingene 13. og 14. mars, var været perfekt.

”Vi var godt fornøyd med målingene i Den botnisk bukt på to punkter”, sa Malcolm Davidson, som leder ESA´s CryoSat-validering. ”For det første hjalp innsamlede data oss med å bedre nøyaktigheten på Cryosat´s havis-målinger. For det andre gjennomførte vi de første vellykkede flyvninger med SIRAL valideringsradaren, kalt ASIRAS, i lav høyde. Dette er av stor betydning for ESA, siden ASIRAS er vår kalibrerings-arbeidshest – den skal brukes meget ved viktige oppdrag i lave høyder i 2006. Lærdommen fra innsatsen i Den botniske bukt gjør oss atskillig bedre forberedt og trygge med tanke på året som kommer”.

Den siste valideringinnsatsen finner sted i 2006, når CryoSat er i bane. CryoSat-valideringsaktivitetene i 2005 ble finansiert av ESA sammen med National Technical Agency of Finland (TEKES), dessuten av andre nasjonale og europeiske instanser.