小型衛星が次の巨大ハリケーンの警報に役立つ可能性

近年、プエルトリコのインフラに少なくとも430億ドルの損害をもたらしたハリケーン・マリアから、6万2000人以上が避難を余儀なくされ、同国の農作物に壊滅的な打撃を与えた昨年のニカラグア史上最強のハリケーン・イオタまで、前例のない数のニュースになるハリケーンが発生しています。2020年には12のハリケーンが米国に上陸し、年間9回というこれまでの記録を塗り替えました。そして、ハリケーンは最も有名ですが、実は熱帯低気圧と呼ばれるより広範な嵐のカテゴリーの中で最も頻度が低いものです。熱帯低気圧は、気候温暖化に伴い、より凶暴になっています。そのため、極端な現象が人々を不意に襲う前に、気象学者が正確にハリケーンを予測し、警告を発することが、これまで以上に重要になっています。

これが、初の超小型衛星プロジェクト「トロピックス」の構想です。このプロジェクトは月曜日にケープカナベラルからファルコン9ロケットで最初の認定ユニットを打ち上げる予定です。この衛星群は最終的に7機の小型衛星で構成され、赤道の南北約40度に及ぶ地球の熱帯地域を監視します。

サイクロンは長らく予測が最も難しい気象現象の一つであり、世界でもサイクロンの予測に注力している機関はごくわずかです。主な課題は、嵐の正確な進路、強さ、そして何よりも重要な、上陸地と時期を特定することです。静止衛星は気象学者に1億1800万フィートの視野を提供しますが、その有効性は雲頂で止まります。可視光線と赤外線の衛星画像しか提供できず、雲層を透過することはできません。嵐の内部、動き、気温、水分量に関する重要なデータを収集するために雲の下を「見る」には、極軌道衛星の追加機能が必要です。

極軌道衛星は地球の自転に合わせて南北に周回し、あらゆる経度から画像を撮影します。静止軌道衛星よりもはるかに低い高度、地表から約512マイル（270万フィート）を周回します。これにより、マイクロ波領域のデータを収集し、嵐の内部で何が起こっているかを把握することができます。しかし、地球を一周するには12時間かかるため、予報官が特定の嵐を再度観測する頃には、大西洋中部で熱帯低気圧として始まったものが、カリブ海に近づくにつれて熱帯暴風雨に発達している可能性があります。これは重要な時期に減速をもたらします。予報官が得るすべてのデータポイントは、接近する嵐のより正確な画像を構築するためのパズルの重要なピースとなる可能性があるからです。

This single satellite is the Pathfinder satellite that will launch on June 25.

熱帯衛星群はこの遅延を短縮し、低緯度地域における16～24キロメートルごとの新たな詳細な画像を30～40分ごとに提供します。「基本的に、常に新しい衛星が嵐の上空を飛行し、最新の測定を行い、あらゆる動きを捉え、気温、湿度、降水量、降水帯など、変化を観測します」と、プロジェクトの主任研究員であるビル・ブラックウェル氏は述べています。

これを実現するには、超小型衛星を非常に特殊な軌道構成に打ち上げる必要がある。2022年初頭、スタートアップ企業である打ち上げプロバイダーのアストラが支援する3基のロケットに、一度に2基ずつ搭載された衛星が相乗りで打ち上げられる。各衛星ペアは、赤道に対してわずかに傾いた軌道（地球の反対側、30度）を共有し、同じ軌道を描く。3組すべてが軌道上にいると、3つの不安定なコマのように、赤道上の異なる地点を縦横に移動する。地球を周回する衛星ペアのこの独特な軌道構成により、熱帯地域のどの地点でもより頻繁にカバーできるようになる。（テストユニットもチームの7番目のメンバーとして軌道上に留まるが、主に研究と実験に使用され、必要に応じて嵐時の追加の支援も行われる可能性がある。）

MITリンカーン研究所提供

各ユニットにはマイクロ波放射計が搭載されており、研究者や予報官は水蒸気や気温情報など、肉眼では見えない現象を観測することができます。データは地球に送信されると、国立気象局と国立ハリケーンセンターに直接リンクされ、数値気象予報モデルに入力されます。

熱帯低気圧の場合、予報官は最低気圧と最大風速に注目すると、熱帯低気圧プロジェクトサイエンティストのスコット・ブラウン氏は語る。これらの重要な変数は嵐の強さを定義するのに役立ち、より多くのリアルタイムデータがあれば、これらのモデルによる予測の精度が向上する可能性がある。ブラウン氏は、嵐の強さに関する継続的なデータは「急速な激化や弱化、そしてそれが降水量の推移とどのように関連しているかを理解するのに役立つだろう」と述べている。

NOAAの少数の研究者は、この追加データがどれほど効果的かを既にテストしています。アメリカ気象学会の月刊ウェザー・レビュー（既にオンライン版も公開）に掲載予定の論文の中で、あるチームは新システムの仮想的な事前テストを行いました。「基本的には、熱帯低気圧のコンピューターシミュレーションを行い、そのシミュレーションから新しい観測システムから得られると予想されるデータをサンプリングするのです」と、マイアミにあるNOAAハリケーン研究部門の研究気象学者で、この論文の共著者でもあるロバート・ロジャーズ氏は述べています。「理想的には、予報の改善が見られるはずです。」

ロジャーズ氏のチームは、新たな定期的なデータソースの活用により、熱帯低気圧の進路予測が15%向上したことを発見しました。また、強度予測の精度も約10%向上したとロジャーズ氏は推定しています。さらに、気温と風の予測は5日先まで一貫して改善され、湿度予測は36時間先までより正確になったことも明らかになりました。

極軌道衛星JPSS-1のような大型気象衛星は、より広い範囲をカバーし、低波長域での解像度も向上しますが、開発費は高額で、数十億ドルに上ることも珍しくありません。超小型衛星は1機あたり5.4キログラム未満と小型であるため、トロピックスの開発費は合計3,020万ドル、さらに軌道投入に必要な3回の打ち上げ費用として795万ドルが加算されました。

ブラックウェル氏によると、小型衛星の開発期間もはるかに短いという。NASAは2016年にTropics計画を全額資金提供の対象に選定しており、このモデルをベースにした将来のナノ衛星は最短1年で完成する可能性がある。「このような巨大な気象衛星1基の建造には10年かかるため、打ち上げられる技術は15年前のものだ。最終的に打ち上げる頃には、気象予報のベータマックスに相当するものを打ち上げることになる」とブラックウェル氏は言う。

認定ユニットは数週間以内に放射計データの提供を開始する予定です。計画通りに進めば、ハリケーン研究部門は今夏、北大西洋上空でこのユニットの試験運用を行う予定です。衛星データの較正と検証のため、ハリケーンハンター機に搭載されたドロップゾンデ（気象観測気球に似たもので、リアルタイム測定が可能）を嵐の中に投下する実験も行う予定です。

ロジャーズ氏によると、急速に勢力を増すハリケーンは沿岸部の町々に深刻な被害をもたらし、国立ハリケーンセンターでは職員が潜在的な脅威を評価し警告を発するために数日間、長時間の作業が必要となるという。「まさに悪夢のようなシナリオです」と彼は言う。「状況が急速に変化していることを知るために、どんな情報でもできるだけ早く入手できれば、私たちにとって大きな助けになります」

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