Vệ tinh nhìn thấy mưa bằng cách nào?

Đứng dưới mái hiên, bạn biết ngoài sân đang mưa vì nhìn thấy giọt nước và nghe tiếng mưa rơi. Một vệ tinh bay qua phía trên đám mây không có hai dấu hiệu ấy. Nó phải dựa vào những tín hiệu vô tuyến rất khác nhau để ước tính mưa ở đâu và mạnh đến mức nào.

Vệ tinh chủ chốt của nhiệm vụ Đo mưa toàn cầu, gọi tắt là GPM, mang hai thiết bị bổ sung cho nhau. Một thiết bị tự phát sóng rồi nghe tiếng vọng từ mưa. Thiết bị còn lại không phát sóng: nó thu năng lượng vi ba tự nhiên đi lên từ khí quyển và mặt đất. Cả hai đều cho manh mối về mưa, nhưng mỗi manh mối trả lời một câu hỏi khác nhau.

Radar tìm các lớp mưa bằng tiếng vọng

Hãy hình dung việc gọi vào một căn phòng trống rồi nghe tiếng vọng. Âm thanh phản hồi cho biết có một bề mặt ở đâu đó, và tiếng vọng đến càng muộn thì quãng đường đi về càng dài. Radar trên vệ tinh dùng ý tưởng tương tự với sóng vô tuyến thay cho âm thanh. Tín hiệu không cần một bức tường: các giọt nước và hạt băng trong đám mây cũng làm một phần năng lượng tán xạ trở lại.

Thiết bị radar đo mưa hai tần số của GPM, viết tắt là DPR, phát xung và ghi tín hiệu trở về theo từng khoảng thời gian. Nhờ vậy, nó có thể phân biệt các lớp ở độ cao khác nhau dọc đường nhìn. Đây là thông tin mà một chiếc máy đo mưa trên mặt đất không cung cấp: chiếc máy dưới đất cho biết nước đã tới chỗ nó bao nhiêu, nhưng không mô tả được cấu trúc mưa ở phía trên.

Tiếng vọng mạnh hơn không tự động tương ứng với cùng một mức tăng lượng mưa. Kích thước hạt, trạng thái nước hay băng và sự suy yếu của sóng trên đường đi đều làm thay đổi tín hiệu. Việc dùng hai tần số đem lại thêm dữ liệu để thuật toán phân biệt các khả năng ấy. Có thể hình dung đây là việc nghe cùng một căn phòng bằng hai kiểu tín hiệu; sự khác nhau giữa hai phản hồi giúp thu hẹp cách giải thích, chứ không biến phép đo thành một phép đếm từng giọt.

Máy thu vi ba đọc tín hiệu có sẵn

Thiết bị thứ hai, GPM Microwave Imager hay GMI, hoạt động theo cách khác. Các vật thể có nhiệt độ phát ra bức xạ, trong đó có năng lượng ở vùng vi ba. Máy thu nhìn xuống và đo cường độ tín hiệu ở nhiều dải tần. Các nhà khoa học biểu diễn cường độ ấy dưới dạng nhiệt độ sáng, một cách quy đổi tín hiệu thu được, không phải nhiệt độ không khí mà người đứng dưới mưa cảm nhận.

Tại một vị trí, tín hiệu đến vệ tinh có thể mang dấu vết của mưa, băng trong mây, hơi nước và cả bề mặt bên dưới. Chẳng hạn, trên đại dương, nước lỏng trong mây và mưa có thể làm thay đổi lượng năng lượng thu được so với nền biển. Ở những kênh khác, hạt băng có thể tán xạ vi ba và làm thay đổi tín hiệu theo hướng khác. Vì mỗi dải tần phản ứng khác nhau, thuật toán nhìn cả mẫu tín hiệu, thay vì lấy một con số rồi đổi thẳng thành milimét mưa.

Chữ “thụ động” ở đây chỉ việc máy thu không chiếu sóng xuống cảnh quan. GMI thu bức xạ vi ba tự nhiên nên nguyên lý quan sát không đòi hỏi Mặt Trời chiếu sáng cảnh như ảnh chụp bằng ánh sáng nhìn thấy. Điều đó cũng không có nghĩa mọi vệ tinh hay mọi cảm biến thụ động đều hoạt động giống nhau vào ban đêm.

Vì sao cần cả hai trên cùng một vệ tinh?

Máy thu vi ba quan sát một dải rộng hơn, cho bức tranh bao quát hơn trong một lượt bay. Radar quan sát dải hẹp hơn, nhưng cho biết tín hiệu phản hồi thay đổi ra sao theo độ cao. Ở nơi hai thiết bị cùng nhìn thấy mưa, có thể đối chiếu bức tranh rộng với cấu trúc theo chiều đứng. Hai cách quan sát bổ sung cho nhau vì chúng nhìn cùng hiện tượng qua hai loại tín hiệu khác nhau.

Giá trị của việc đo đồng thời trở nên rõ khi so với cách ghép hai ảnh chụp cách xa nhau về thời gian. Một đám mưa có thể đổi hình dạng hoặc di chuyển trong khoảng chờ. Dữ liệu gần đồng thời giúp giảm sự nhập nhằng đó trong vùng trùng nhau. Tuy vậy, không thể lấy chi tiết theo chiều đứng ở vùng radar quét rồi mặc định rằng phần ngoài vùng quét cũng có cùng cấu trúc.

Bản đồ mưa là sản phẩm tính toán

Ở mặt đất, một điểm đo có thể đặt giữa vườn và cho biết trận mưa vừa rồi đã rơi bao nhiêu tại đúng chỗ đó. Một ô dữ liệu vệ tinh đại diện cho một vùng lớn hơn. Nếu một cơn dông chỉ quét qua một phần vùng, số đo tại vườn và ước tính cho cả vùng có thể khác nhau mà không nhất thiết có thiết bị nào hỏng.

NASA mô tả việc kiểm tra các thuật toán mưa bằng dữ liệu quan sát tại mặt đất. Phép đối chiếu cần tính đến thời gian, diện tích đại diện và điều kiện mưa. So một vũ lượng kế ghi tổng cả ngày với một lượt vệ tinh đi qua vào buổi trưa, chẳng hạn, sẽ không trả lời được câu hỏi hai hệ thống có ước tính giống nhau cho cùng khoảng thời gian hay không.

Đó cũng là lý do khi sử dụng bản đồ mưa cho lưu vực hoặc sản xuất nông nghiệp, cần đọc tên sản phẩm và thời đoạn mà nó biểu diễn. Tốc độ mưa ước tính tại một thời điểm và tổng mưa tích lũy trong nhiều giờ là hai đại lượng khác nhau. Bản đồ vùng rộng giúp nhận ra dải mưa và so sánh các khu vực; quan sát tại chỗ vẫn có giá trị khi quyết định dựa vào lượng nước thực sự đến một thửa ruộng.

Điều đáng nhớ là GPM không đo mưa bằng một chiếc xô trên quỹ đạo. Radar dùng tiếng vọng để tìm cấu trúc theo độ cao; máy thu vi ba đọc tín hiệu tự nhiên trên vùng rộng hơn. Bản đồ có ích nhờ ghép những manh mối ấy bằng mô hình và kiểm tra chúng với quan sát ở dưới đất.

Nguồn tham khảo

NASA: thuật toán ước tính mưa; NASA: thiết bị DPR và GMI.

Ảnh minh họa vệ tinh GPM: NASA, phạm vi công cộng tại Mỹ, trang gốc.