CryoSats radarsystem testades i Östersjön

Illustration av hur CryoSat kommer att avbilda havsis
15 september 2005

ESAs isobservationssatellit CryoSat ska sändas upp i början av oktober, men radarsystemet arbetade för fullt redan i mars. SIRAL-systemet testades under den så kallade valideringskampanjen. Det visade sig bli ett perfekt tillfälle för forskarna att framgångsrikt närma sig frågor om havsisvalidering innan CryoSat skickas upp i rymden.

Det finska örlogsfartyget Aranda kan Östersjön på sina fem fingrar, om liknelsen tillåts. Finska institutet för marinforskning skickar fartyget flera gånger om året till Östersjön – och ibland längre bort till Atlanten – för att genomföra olika slags mätningar och observationer. Trots att Aranda är det skepp som har upplevt mest bjöd uppdraget på något annorlunda. Uppdraget var att validera en rymdradar som aldrig har flugit.

CryoSats radar kallas för SIRAL. Det är ett nytt instrument som ska skanna istäcken över hela jorden med en noggrannhet på några centimetrar när. SIRAL utnyttjar sofistikerad radarteknik för att öka upplösning och därmed också möjligheterna att genomföra observationer. Namnet SIRAL (Synthetic aperture Interferometric Radar ALtimeter) skvallrar om dessa förbättrade förmågor och systemet kommer att användas för att mäta havsisens tjocklek och övervaka förändringar hos isen på land, särskilt vid de snabbt föränderliga iskanterna.

Flera radaraltimetrar har tidigare flugit i rymden, men de har varit annorlunda. De fungerar genom att skicka korta radarpulser och därefter mäta tiden det tar för signalen att komma tillbaka till rymdfarkosten. CrysSats altimeter skickar istället en svärm pulser i korta intervall. Sedan kan forskarna korrelera svärmarna, behandla hela svärmen som en helhet och låta en dator separera radarekot i smala band genom att utnyttja Dopplereffektens verkan. Denna metod gör att SIRAL slår alla tidigare radarmätningar av istjockleken – och de flesta andra också.

Arandas uppdrag var att validera radarmätningarna. En exakt kopia av CryoSats SIRAL-radar installerades på det tyska forskningsflygplanet Dornier 228. Instrumentet flögs sedan över de nordligaste delarna av Östersjön mellan Sverige och Finland. Arandas uppgift och forskningspersonalen ombord vara att mäta den faktiska istjockleken, utseendet och termodynamiken. Samtidigt utförde den luftburna radaraltimetern motsvarande mätningar.

Genom att jämföra informationen från de båda mätningarna kan man validera radarmätningarna. Isens morfologi (formen på istäcket), isens tjocklek och havsisens form påverkar reflektionen av signalen. Så gör också isens termodynamik och om det finns snö på isen.

The footprint of the radar beam on the ground
CryoSats radar använnder en ny princip där en svärm radarsignaler skickas med kort mellanrum

Just snötäcket förvirrar radarn: snöns tyngd trycker ner isen lägre i vattnet sa att CryoSat skulle underskatta isens tjocklek, eftersom satelliten tolkar isens höjd över vattnet som tjocklek. Därför är denna typ av validering nödvändig för hela uppdraget, då valideringen gör det möjligt att uppskatta hur noggranna CryoSats mätningar av isens tjocklek är.

Detta var inte den första valideringskampanjen. Den tidigare kampanjen, CryoSat Validation Experiment, fokuserade på landis och utfördes på Grönland och i Kanada. Bottniska viken valdes ut i denna kampanj för att Östersjön erbjuder en enkel tillgång till ett istäcke på havet. Bottniska viken visade sig också vara ett utmärkt valideringsområde.

RV Aranda ankrade vid istäcket på onsdagkvällen den 9 mars 2005, ungefär 15 km söder om ön Hailuoto. De svenska, finska, tyska och brittiska forskningsgrupperna började arbeta dagen efter. Finska institutet för marinforskning fick sällskap av forskare från Alfred Wagner-institutet från Tyskalnd, Helsingfors Tekniska högskola, Scottish Association of Marine Research och SMHI.

Packisens porositet mättes av den tyska gruppen och forskarna från Helsingfors Tekniska högskola analyserade snötäcket genom att mäta konsistensen, densiteten och kristallstrukturen i snön. Den svenska gruppen placerade ut bojar på isen för att visa hur isen driver på vattnet. Isens tjocklek mättes från en helikopter med elektromagnetiska instrument från Alfred Wagner-institutet. Helsingfors Tekniska högskola hjälpte till med mätningarna från ett flygplan utrustat med fjärranalysinstrument. Grupperna borrade också hundratals hål i isen för att mäta den verkliga tjockleken på snö och is.

Och över allt annat flög SIRAL-radarn som observerade isen på samma sätt som CryoSat kommer att göra när satelliten väl är uppe i sin bana.

Data från ungefär 1 600 kilometer samlades in från luften över Bottniska viken och från flera höjder längs en kalibreringslinje nära ön Hailouto. Kalibreringslinjen löpte över is med varierande tjocklek, från så lite som 19 centimeter till så mycket som 20 meter. Längs linjen förekom också is med olika topografi, från jämn och slät is till mycket kantiga och oregelbundna former.

"Vi var lyckligt lottade på många sätt," säger Jari Haapala, forskare from Finska institutet för marinforskning. "Vi lyckades nå det område som var vårt mål med forskningsfartyget Aranda, trots att det visade sig vara omöjligt att bryta igenom den tjockaste isen ibland. Men efter tre dagars strid mot isen fann vi ett forskarparadis. Det kalla och soliga vädret höll i sig under de dagar som vi gjorde mätningar så både logistiken och utrustningen fungerade utan svårigheter – vi hade till och med tid att slappna av i bastun på kvällarna! Vi fick in satellitdata i realtid vilket gjorde det möjligt för oss att designa optimala mätvägar. Eftersom isen driver på havet var en av de stora utmaningarna att samla in data från flygplan och helikopter. Vi lyckades utföra dessa mätningar under mycket klart och stilla väder och förväntar oss att ha samlat in data från 120 kilometer på detta sätt. "

Även om resultaten från kampanjen blev bättre än väntat, så inleddes mätningarna mer tveksamt. Vädret var hårt och Aranda, som klarar hårda vinterförhållanden, kunde bara ta sig fram med en hastighet av några knop. Den tjockaste isväggen de mötte var 20 meter tjock. Men slutligen klarnade vädret och under huvudmätningarna den 13 och 14 mars var vädret perfekt.

"Vi är mycket nöjda med kampanjen i Bottniska viken av två anledningar," säger Malcolm Davidson, ESAs CryoSat Validation Manager. "För det första hjälper de insamlade data oss att kvantifiera och slutligen förbättra noggrannheten i CryoSats ismätningar. För det andra genomfördes de första lyckade flygningarna med ASIRAS – SIRAS valideringsradar – på låg höjd. Detta är en kritisk fråga för ESA eftersom ASIRAS är vår arbetshäst inom validering. ASIRIS kommer att användas från låga höjder under de storskaliga kampanjerna under 2006. Läxorna från kampanjen i Bottniska viken innebär att vi nu är mycket bättre förberedda och har större självförtroende inför nästa år."

Den sista valideringskampanjen ska utföras under 2006 när CryoSat redan är i omloppsbana. CryoSats valideringsverksamhet under 2005 finansierades av ESA tillsammans med det finska tekniska rymdorganet TEKES och med andra europeiska källor.

ESAs webportal inleder i dag en serie artikler på de nordiska språken om satelliten CryoSat, som planeras att sändas upp den 8 oktober. Artikelserien visar att mätningar av is och snö är av särskilt intresse i Norden. Varje tisdag och torsdag fram till uppsändingen kommer en ny artikel om nordiska forskare som är engagerade i CryoSat, eller om andra relaterade ämnen.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.