Oleh: Kerry Nicoll
Popularitas dan ketersediaan Kendaraan Udara Tak Berawak (UAV), telah menyebabkan lonjakan penggunaannya di banyak bidang, termasuk fotografi udara, survei, pencarian dan penyelamatan, dan pemantauan lalu lintas. Ini juga berlaku untuk aplikasi sains atmosfer, di mana mereka digunakan untuk pembuatan profil lapisan batas, pengambilan sampel aerosol dan awan, dan bahkan penelitian tornado. Seringkali pilot manusia masih diperlukan untuk alasan keselamatan (walaupun banyak sistem sebagian besar diterbangkan dengan autopilot), tetapi keandalan navigasi satelit dan perangkat lunak autopilot sekarang berarti bahwa penerbangan yang sepenuhnya otonom sekarang dimungkinkan, bahkan digunakan di prakiraan cuaca operasional.
Di Departemen Meteorologi, kami telah mengembangkan sensor sains kecil untuk terbang di atas UAV untuk penelitian kelistrikan awan dan atmosfer. Listrik atmosfer ada di sekitar kita (bahkan dalam cuaca cerah), dan muatan memainkan peran penting dalam interaksi aerosol dan awan, tetapi jarang diukur. Selama beberapa tahun terakhir, sensor muatan kami telah diterbangkan pada beberapa pesawat berbeda sebagai bagian dari dua proyek penelitian terpisah untuk menyelidiki interaksi aerosol dan awan bermuatan, dibahas secara singkat di blog ini.
Kampanye penerbangan pertama berlangsung di Lindenberg, Jerman, dengan rekan-rekan dari Kelompok Fisika Lingkungan di Universitas Tubingen. Kampanye penerbangan ini untuk menyelidiki struktur muatan vertikal di lapisan batas atmosfer (beberapa km terendah dari atmosfer), dan bagaimana variasinya dengan parameter meteorologi dan aerosol. Empat sensor muatan kecil yang kami kembangkan (lihat Gambar 1(a): 1 dan 2) diterbangkan dalam pod pengukuran khusus yang terpasang pada setiap sayap UAV sayap tetap dengan lebar sayap 4 m (dikenal sebagai MASC-3). MASC-3 juga mengukur suhu, kelembapan relatif, vektor kecepatan angin 3D (menggunakan probe kecil yang dipasang di hidung pesawat) dan konsentrasi partikel aerosol. Data dicatat dan disimpan di dalam pesawat pada kecepatan pengambilan sampel 100 Hz, dan MASC-3 dikendalikan oleh autopilot untuk mengulang pola pengukuran dengan andal. Karena pengukuran muatan dari pesawat sangat sulit dilakukan, penting untuk meminimalkan efek pergerakan pesawat pada pengukuran muatan. Ini dilakukan dengan terbang terencana dengan hati-hati, kaki terbang lurus, dan mengembangkan teknik untuk menghilangkan efek gulungan pesawat pada pengukuran muatan. Beberapa penerbangan dilakukan selama cuaca cerah, pada interval yang berbeda sepanjang hari (dari matahari terbit hingga terbenam), untuk mengamati bagaimana struktur muatan vertikal berubah sepanjang hari saat lapisan batas berevolusi. Hasil lengkap dari kampanye tersebut dilaporkan di koran kami.
Gambar 1: (a) Pod sensor pengisian daya untuk MASC-3. Sensor muatan (1, 2), dicat dengan cat grafit konduktif, dan foil tembaga untuk mengurangi pengaruh penumpukan muatan statis pada pesawat. (b) Pesawat MASC-3 dengan pod sensor muatan dipasang di setiap sayap (8). Muatan sensor meteorologi berada di depan untuk mengukur vektor angin, suhu, dan kelembaban (9). Gambar dari Schön et al, 2022.
Kampanye penerbangan UAV kedua berlangsung sebagai bagian dari proyek kami: “Electrical Aspects of Rain Generation” yang didanai oleh Program Penelitian UEA untuk Ilmu Peningkatan Hujan. Tonton video kami tentang proyek ini di sini. Ini melibatkan instrumen UAV dengan penghasil muatan yang dikembangkan secara khusus yang dapat melepaskan ion positif atau negatif sesuai permintaan. UAV diterbangkan dalam kabut untuk menyelidiki apakah muatan yang dilepaskan mempengaruhi ukuran dan atau konsentrasi tetesan kabut. Ini adalah langkah pertama yang penting dalam menentukan apakah pengisian tetesan awan dapat membantu dalam membantu curah hujan di bagian dunia yang mengalami tekanan air. Untuk melakukan eksperimen ini, kami bekerja sama dengan para insinyur dari Departemen Teknik Mesin di University of Bath. Pesawat Skywalker X8 dengan bentang sayap 1,2 m dilengkapi dengan sensor muatan kecil dan sensor tetesan awan, bersama dengan sensor suhu dan kelembapan relatif (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dan dibahas di Harrison et al, 2021). Pemancar muatan kami yang dikembangkan secara khusus dipasang di bawah setiap sayap UAV, dan di bawah kendali pilot untuk dinyalakan dan dimatikan kapan pun diperlukan oleh ilmuwan penerbangan dalam pola yang diketahui. Penerbangan UAV berlangsung di pertanian pribadi di Somerset, dalam kondisi kabut tipis (memastikan bahwa kami dapat melihat UAV setiap saat, untuk alasan keamanan), terbang dalam lingkaran kecil di sekitar pabrik medan listrik berbasis darat, yang digunakan untuk mendeteksi muatan yang dipancarkan oleh pesawat. Hasil kami (dilaporkan baru-baru ini di Harrison et al, 2022) menunjukkan bahwa sifat radiasi kabut berbeda antara periode ketika pemancar muatan hidup dan mati. Hal ini menunjukkan bahwa distribusi ukuran tetesan kabut dapat diubah dengan pengisian daya, yang pada akhirnya berarti bahwa penggunaan muatan dapat digunakan untuk memengaruhi tetesan awan dan curah hujan.
Referensi:
Harrison, RG, & Nicoll, KA, 2014: Catatan: Deteksi optik aktif awan dari platform balon. Ntinjauan Instrumen Ilmiah, 85(6), 066104, https://doi.org/10.1063/1.4882318
Harrison, RG, Nicoll, KA, Tilley, DJ, Marlton, GJ, Chindea, S., Dingley, GP, … & Brus, D., 2021: Demonstrasi pengukuran atmosfer yang diujicobakan dari jarak jauh dan platform pelepasan muatan untuk geoengineering. Jurnal Teknologi Atmosfer dan Kelautan, 38(1), 63-75, https://doi.org/10.1175/JTECH-D-20-0092.1
Harrison, RG, Nicoll, KA, Marlton, GJ, Tilley, DJ, & Iravani, P., 2022: Emisi muatan ion menjadi kabut dari pesawat yang dikemudikan dari jarak jauh. Surat Penelitian Geofisikae2022GL099827, https://doi.org/10.1029/2022GL099827
Nicoll, KA, & Harrison, RG, 2009: Sensor muatan awan ringan yang dibawa balon. Tinjauan Instrumen Ilmiah, 80(1), 014501, https://doi.org/10.1063/1.3065090
Reuder, J., Brisset, P., Jonassen, M., Muller, MARTIN, & Mayer, S., 2009: Pengamat Meteorologi Tak Berawak Kecil SUMO: Alat baru untuk penelitian lapisan batas atmosfer. Jurnal Meteorologi, 18(2), 141.
Roberts, GC, Ramana, MV, Corrigan, C., Kim, D., & Ramanathan, V., 2008: Pengamatan simultan interaksi aerosol-awan-albedo dengan tiga kendaraan udara tak berawak bertumpuk. Prosiding National Academy of Sciences, 105(21), 7370-7375, https://doi.org/10.1073/pnas.07103081
Schön, M., Nicoll, KA, Büchau, YG, Chindea, S., Platis, A., & Bange, J., 2022: Pengukuran Muatan Atmosfer Cuaca Adil dengan UAS Kecil. Jurnal Teknologi Atmosfer dan Kelautanhttps://doi.org/10.1175/JTECH-D-22-0025.1
Wildmann, N., M. Hofsas, F. Weimer, A. Joos, dan J. Bange, 2014: Masc–sebuah pesawat kecil yang dikemudikan dari jarak jauh (rpa) untuk penelitian energi angin. Kemajuan dalam Sains dan Penelitian, 11 (1)55–61, https://doi.org/https://doi.org/10.5194/asr-11-55-2014.
Sumber :