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2021年9月20日

感知地球:九卅体育appAPL致力于为减缓气候变化提供数据

九卅体育应用物理实验室(APL)的研究人员在劳雷尔, 马里兰, 正在应用传感和建模方面的专业知识来预测地球系统的变化, 提供数据以支持有关减缓气候变化影响的国家安全方面的决策.

九卅体育需要持续的, 无所不在的传感来了解当前状态并预测地球系统的未来变化,鲍比·阿米格说, APL公司研究与探索开发部(REDD)的分支主管, 与同事一起 玛丽莎休斯她领导了一个探索气候变化对九卅体育的世界和国家安全的影响的项目. “九卅体育在传感和建模方面所做的工作将提供对缓解气候变化及其影响至关重要的下一代数据.”

从开发监测排放的新方法, 土壤水分和北极冰, 确定气候变化对军事传感器的影响, 以下是实验室在这方面的工作简图.

“这些项目代表了九卅体育为更好地了解地球作为一个系统所做工作的一小部分, 为应对国家安全和气候变化带来的全球挑战做出可持续的贡献,休斯说, 环境恢复项目助理经理. “应对气候变化需要新的技术进步, APL在实现所需突破方面有着良好的历史, 从基本的科学发现, 到操作能力, 到战略政策分析.”

测量温室气体排放

测量温室气体排放的图像

图片来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心概念图像实验室

人类活动产生的温室气体排放是观测到的气候变化的最重要驱动因素之一. 国际社会正朝着 协议 共同努力限制此类排放,但这些协议要求所有国家随着时间的推移准确测量和监测变化.

“目前估算温室气体的方法既利用了天基测量,也利用了地面测量,“解释 瑞安·穆克吉他是REDD的计算机视觉研究员. “虽然这些方法可以非常准确, 他们在空间分辨率上有缺陷, 空间覆盖和/或时间分辨率. 在使用温室气体估算来监测和减少全球排放时,这些缺陷造成了重大挑战,因为它们导致可操作性较差的估算.”

穆克吉领导的团队正在探索一种测量温室气体的新方法:使用人工智能(AI)和机器学习, 尽管它们传统上不用于估算温室气体, 更好地利用现有平台已经收集到的数据.

九卅体育希望利用人工智能来重新利用现有的高分辨率可见光谱卫星来估算温室气体排放, 因为这些系统可以帮助解决目前的不足,并使九卅体育能够确定排放,他解释道. “研究人员 最近发布了 利用可见光谱图像成功估算大气颗粒物, 这让九卅体育相信温室气体的估计也是可能的.”

如果成功, 他们的工作可以通过利用目前运行的大量可见光谱卫星的数据,为全球减排提供更多可操作的见解和快速响应. 这些见解对许多国际和国内气候活动和产品至关重要.

从太空监测土壤

从太空监测土壤的图像

信贷:Bigstock

洪水, 干旱, 滑坡和火灾——这些都是气候变化的常见例子——当天气事件遇到土壤太湿或太干时就会发生. “然而,农民们仍然依靠把杆子插进地里来观察田地的湿润或干燥程度,”观察到 玛丽·凯勒他是APL太空探索部门的遥感专家.

APL的研究人员一直在研究地球、月球和火星的遥感解决方案. “但, 究竟, 电离层干扰引入噪声并使所需信号失真,凯勒解释道. “九卅体育正在开发一个模型来描述电离层对射频信号的影响,以改善对潮湿和冻土的感知.”

无线电波在穿过地球时,会被它们所遇到的物质属性所改变. APL研究人员的想法是, 如果射频能量以不同的角度发送进来, 新出现的能量将作为地下物质特性的函数,在一定角度范围内扩散. 如果同一频率的不同偏振通过地下, 两极也会发生变化. 像这样, 过去三年, 实验室科学家们一直在开发用于跟踪土壤湿度的反射仪,这些仪器被设计成可以在通信网络卫星上运行.

“对于月球和火星——没有空气, 而是被土壤覆盖的岩石体,冰冻或, 也许, 地下有液态水——这种方法已经足够好了,凯勒解释道. “对地球来说,还有一个额外的问题. 从太空向地球发射的无线电信号要经过电离层, 是什么引起透射偏振的相对大小随时间和空间变化, 九卅体育的系统用来获取土壤含水量的信号. 在九卅体育的模型中加入电离层效应将允许在地球上应用.”

一旦实现, 这项技术对于识别由于气候变化引起的土壤湿度变化具有重要意义, 以及确定在灾后恢复行动中开展救援任务的稳定地区.

北极海冰模拟与预测

北极海冰模拟与预测图像

来源:美国国家海洋和大气管理局

北极地区受到了地球气候变化的巨大影响. 在北冰洋, 海冰范围——海冰浓度至少为15%的海洋面积——通常在3月达到最大值,9月达到最小值. 然而, 近年来, 北极海冰面积在所有月份都在稳步减少, 而全年持续的5%则更薄、更脆弱.

尽管如此, 随着海冰的消退,北极的大片区域开始开放, 政府和商业海上活动有所增加, 这意味着需要每周和每月的预测,这样船只才能安全航行.

“在北极盆地航行的船只需要提前几天到一周知道哪里会有冰,在什么状态下绘制航线,计划供应和港口,“解释 克里斯汀Piatko他是REDD的计算机科学研究员. “但民用和军用舰队在开放的北极航行时使用的短期海冰预报目前是临时的, 不一致,通常依赖于当前条件和预测者直觉的连续性, 就像三四十年前的常规天气预报一样.”

Piatko和Keller正在开发具有高空间和时间分辨率的北极条件和北极通道的先进模型,以极大地改善短期海冰预测. 这些模型将使用独特的APL检测方法以及深度学习方法,通过融合多模态卫星图像和天气信息的数据,提供准确和及时的结果.

“这些机器学习技术提供了快速吸收和分析多个图像来源的潜力, 以及天气模型数据, 提供更及时的预测,Piatko说.

影响传感器设计

影响传感器设计的图像

来源:美国国家航空航天局

最近地球气候的变化包括影响射频传播的现象, 红外(IR)和光电(EO)信号. APL航空和导弹防御部门的乔纳森·格曼说, 许多这些波段的预期趋势似乎是能见度较低. 然而, 研究人员还不知道这些影响的影响, 单独或结合.

“今天的一些传感系统是50年前设计的,格曼指出, 电磁波传播和散射的物理建模专家. “2021年开发的传感器设计应该足够坚固,可以承受50多年后的条件. 挑战在于从RF中找出未来的气候可能是什么样子, 红外和EO可见性的立场,以便2021年的设计预测2071年的环境.”

格曼和他的研究团队已经锁定了他们认为最有可能影响传感器性能的因素. They are exploring the impact of increased moisture content on RF; increased temperature, carbon dioxide and moisture on IR visibility; increased temperature and moisture on the efficacy of high-energy lasers; and increasing sea surface temperature on RF evaporation ducts.

九卅体育计划开发一个简单的数学模型,计算每个因素对传感器性能的数量级影响. 然后九卅体育将量化这种影响,并将结果放在运营环境中。. “像这样的分析还没有完成. 得到这些答案将影响未来的传感器设计,并确定当前系统的新局限性.”

媒体联络: 波莱特·坎贝尔,电话240228-6792, 波莱特.Campbell@openbooknigeria.com

应用物理实验室, 九卅体育的非营利部门, 通过科学和技术的创新应用,应对国家面临的重大挑战. 更多信息,请访问 hispaniclatinoaffairs.multicultural.openbooknigeria.com.

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