Радиационный бюджет геостационарной Земли - Geostationary Earth Radiation Budget

В Радиационный бюджет геостационарной Земли (ГЕРБ[1]) - это инструмент на борту ЕВМЕТСАТ с Метеосат Второе поколение геостационарный спутники предназначен для точных измерений Бюджет излучения Земли.

Рис. 1. Инструмент GERB.

Это было произведено Европейский консорциум, состоящий из объединенное Королевство, Бельгия и Италия. Первый, известный как GERB 2, был запущен 28 августа 2002 г. Ариана 5 ракета. Второе, GERB 1, было запущено 21 декабря 2005 года, а третье, GERB3, 5 июля 2012 года. Последнее устройство GERB 4 было запущено 14 июля 2015 года. Первое запущенное GERB 2 на MSG 1 в настоящее время расположено над Индийский океан на 41,5 ° в.д., в то время как GERB 1 и 3 на MSG 2 и 3 по-прежнему расположены над стандартным Африка ЕВМЕТСАТ должность. GERB 4 на MSG еще не запущен.

Неизвестные методы измерения и прогнозирования изменений климата Земли

Беспрецедентная скорость атмосферного CO
2 увеличение происходит с Индустриальная революция из-за человеческой деятельности вызывает большую озабоченность ученых, поскольку это произошло на порядок быстрее, чем планета Земля когда-либо испытывал. Климатические модели описан как Модели глобальной циркуляции (GCM) в настоящее время позволяют исследовать и попытаться предсказать, как Земля климат изменится в ответ на такие беспрецедентные изменения.

Рис. 2. Временные и пространственные масштабы климатических и облачных эффектов.

Такие компьютерные модели во многом согласны со многими предсказаниями о том, как климат будут «принудительно» переведены в другое состояние такими изменениями, но все еще существует много разногласий, в частности, как такое принуждение также приведет к «отзывы 'в систему. Например, увеличенный CO
2 увеличит парниковый эффект что приводит к потеплению атмосферы и большему таянию арктических льдов. Однако известно, что более теплая атмосфера может, например, содержать большее количество водяного пара при той же относительной влажности, а таяние сильно отражающего белого арктического льда подвергнет открытый океан солнечному свету. Поскольку водяной пар сам по себе является очень сильным парниковым газом, а темный Северный Ледовитый океан будет поглощать больше солнечного света, чем сильно отраженный плавучий лед, оба эти явления достаточно хорошо понимаются как положительные обратные связи, которые будут способствовать ускорению темпов глобального потепления. Возможно, наименее понятный аспект изменения климата связан с облаками и с тем, как они могут измениться в ответ на прямое атмосферное потепление от увеличения CO
2. Эти эффекты вместе именуются Облачное форсирование или Облачное радиационное воздействие (CRF) и обратная связь еще не изучены до уровня, на котором можно с уверенностью предсказать, будут ли их возможные обратные связи в целом положительными и ускорять или отрицательными и замедлять глобальное потепление. Действия земной погодно-климатической системы - это, по сути, работа, выполняемая тепловым двигателем глобального масштаба, тепло в который поступает от всей поглощенной солнечной энергии, а тепло отводится от теплового инфракрасного излучения обратно в космос. Эти два радиационных потока называются коротковолновыми (SW для солнечного) и длинноволновыми (LW для ИК) компонентами в так называемом бюджете излучения Земли (ERB, естественно, тепло требует измерения отраженного SW и вычитается из необходимого входящего солнечного потока). Следовательно, облака, естественно, оказывают огромное влияние на ERB из-за их высокой отражательной способности солнечной СВ и сильного поглощения исходящих тепловых ДВ. В глобальном масштабе потоки ERB могут быть измерены только с орбиты и собираются с 1970-х годов миссиями из США и Европы, наиболее широко с 1998 года НАСА. Облако и система лучистой энергии Земли (CERES) инструменты на низкой околоземной орбите. Однако такие орбитальные платформы видят каждую точку Земли не более двух раз в день, в то время как формирование облаков и модуляция ERB происходят в масштабе времени в минутах (см. Рисунок 1). Следовательно, хотя такие низкоорбитальные измерения жизненно важны для отслеживания глобальных изменений в ERB, такие низкоорбитальные измерения нельзя напрямую использовать для проверки компьютерного моделирования изменений в формировании и рассеивании конвективных облаков в прямом ответе на неизбежное потепление поверхности из-за CO
2 увеличивается и т. д. Чтобы устранить этот недостаток в системе наблюдения Земли, европейский консорциум между Великобританией, Бельгией и Италией приступил к проекту Геостационарного радиационного бюджета Земли (GERB) с намерением разместить высокоточный радиометр ERB на борту Meteosat Платформы со стабилизированным вращением второго поколения (MSG).

Устройство GERB и калибровка

Проект GERB возглавляет Группа по космосу и атмосфере (SPAT), базирующаяся в Имперский колледж Великобритания, с профессором Джоном. Э. Харрис был первым главным исследователем, а теперь его сменила доктор Хелен Бриндли.

Рис.3 Центр исследования Земли (EOCF)

Сами устройства были сконструированы Лаборатория Резерфорда Эпплтона с использованием итальянского трехзеркального серебряного телескопа и электроники, разработанной Центром космических наук в Университет Лестера ВЕЛИКОБРИТАНИЯ.

Рис.4 Устройство ГЕРБ.

Каждое из четырех завершенных устройств GERB прошло обширную наземную радиометрическую калибровку в вакуумной калибровочной камере (VCC) в Центре наблюдения за Землей и характеристике Земли (EOCF), а также в Имперском колледже, разработанном Рэем Ригли. Такие тесты включали подтверждение линейности, определение радиометрического усиления LW с использованием теплых и холодных черных тел (WBB и CBB), определение усиления SW с использованием лампы видимого источника калибровки (VISCS) и выборочные проверки спектрального отклика на уровне системы.

В каждом устройстве GERB используется линейный массив почерневших детекторов на термобатареях производства Honeywell, которые смотрят на Землю при каждом вращении платформы MSG на 100 об / мин, используя зеркало De-Scan Mirror (DSM). Следовательно, столбец диска Земли берется при каждом обороте, позволяя 250x256 отсчетов всего канала, за которыми следуют 250x256 отсчетов SW с кварцевым фильтром каждые 5 минут (т.е. относительная фаза вращения DSM и MSG немного смещается при каждом вращении, см. Рис. .4 внизу справа). Таким образом, при каждом обороте детекторы также видят внутреннее черное тело (IBB) и монитор калибровки (CalMon), чтобы обеспечить непрерывное обновление изменений усиления LW и SW. Его размещение на окраине вращающейся платформы MSG шириной 3 метра потребовало строгой конструкции устройства GERB, чтобы выдерживать постоянную центробежную силу 16 g, которой оно подвергается при вращении DSM.

Каждые 15 минут после получения 3 полных массивов Total и SW 250x256 земного диска синтетический результат LW получается из средней разницы между ними. Такие результаты ERB затем объединяются с улучшением разрешения и извлечением из облака с помощью Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI), также на платформе MSG. Комбинация GERB и SEVIRI посредством синергии данных также потребовала подробного картирования каждого из 256 детекторов / телескопов GERB, отклика поля зрения или функции распределения точки (PSF, см. Matthews (2004)[2] ). Это было сделано с помощью компьютера с гелий-неоновым лазером, который контролировал отображение каждой из 256 термобатарей после того, как они были покрыты чернением золота. Полную информацию о наземной калибровке GERB можно получить у Matthews (2003).[3] Спектральный отклик или мера относительного поглощения на разных длинах волн света для каждого детектора GERB требуется для процесса снятия фильтрации исходного сигнала каждой термобатареи. При этом используются модели переноса излучения для оценки спектральной формы яркости конкретной сцены, чтобы оценить коэффициент отсутствия фильтрации или коэффициент, необходимый для учета неоднородной спектральной характеристики. Для каждого устройства GERB это зависит от умножения лабораторных измерений на уровне единицы детектора, телескопа, DSM и спектральной пропускной способности / поглощения кварцевого фильтра. Точность результатов SW GERB напрямую зависит от качества таких измерений, так как усиление SW определяется с помощью лампы VISCS, спектр которой значительно смещен в длинноволновую область по сравнению со спектром Солнца. Такая точность GERB в настоящее время оценивается примерно в 2% по исх. Такое снятие фильтрации выполняется Королевским метеорологическим институтом Бельгии (RMIB) наряду с синергизмом с данными SEVIRI и преобразованием яркости в яркость с использованием моделей угловой зависимости (ADM).

Калибровка GERB в полете

Как показано на рисунке 4, для каждого из 100 оборотов в минуту каждый детектор GERB получает сканирование как внутреннего черного тела (IBB), так и солнечного диффузора CalMon.

Рис.5 Сканирование ПО GERB и полного канала Луна

Прирост в графах на Вт · м−2Sr−1 и смещения каждого пикселя термобатареи регулярно обновляются на основе известной температуры IBB и разницы его сигнала от сигнала Earthview. Первоначальное намерение состояло в том, чтобы использовать представления CalMon из алюминиевого солнечного диффузора для отслеживания изменений в пропускной способности устройства GERB по солнечным фотонам (см.[3] разработан Дж. Мюллером). Однако в полете солнечные диффузоры и их пропускание солнечного света резко меняется на орбите, поэтому НАСА сочло диффузоры на CERES непригодными для использования.[4] Кроме того, интегрирующая сферическая природа CalMon означает, что солнечные фотоны, вероятно, будут подвергаться множеству отражений от алюминия на пути к телескопу GERB, что, вероятно, значительно снизит энергию на 830 нм в отражательной способности алюминия на неизвестную величину. Возможные альтернативы для отслеживания изменений в солнечной реакции устройства GERB включают сравнение с другими устройствами ERB, такими как предлагаемый НАСА Кларрео прибор или, возможно, другие широкополосные устройства, предполагающие, что их калибровка будет позже проверена.[5] Другая возможность - использование изображений Луны, используемых SeaWIFS проект по обеспечению стабильности результатов Земли (см. рис.5).

Данные GERB

Данные GERB доступны из Лаборатория Резерфорда Эпплтона Сайт загрузки GGSPS ниже, как показано в анимации на рис. 6, на котором отображено полное отражение SW земного диска (слева) и исходящее LW (справа).

Рис.6 GERB 2 на потоках SW и LW MSG1.

На этой анимации показаны потоки SW и LW GERB за 24 часа, которые позволят климатологам проверить, как GCM моделируют формирование и рассеяние облаков, а также их влияние на ERB.

ГЕРБ-СЕВИРИ Синергия

Поскольку потоки ERB из ЦЕРЕС инструменты работают в паре с MODIS при извлечении облаков тепловизора, всегда было намерение связать измерения GERB SW и LW с результатами, полученными с помощью Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (СЕВИРИ ) первичное устройство на платформах MSG. В дополнение к извлечению облаков / аэрозолей с помощью узкополосного прибора SEVIRI, данные имидж-сканера с высоким пространственным разрешением сочетаются с точностью GERB для повышения разрешения потоков, управляющих климатом, чтобы лучше оценивать модели климата, моделирующие образование / рассеивание облаков, и знать как они могут ускорить или замедлить изменение климата. Сияние SEVIRI также используется в процессе отмены фильтрации GERB, чтобы помочь оценить спектральную форму просматриваемой сцены.

Доступ к данным

В дополнение к сайту загрузки Rutherford GGSPS, в Центре анализа данных об окружающей среде (CEDA) создается новый узел доступа, который также указан в приведенных ниже URL-адресах, обеспечивающих доступ к файлам GERB.

использованная литература

  1. ^ Харрис; и другие. (2005). «Проект геостационарного радиационного бюджета Земли». Бык. Амер. Метеор. Soc. 86 (7): 945. Bibcode:2005БАМС ... 86..945Ч. Дои:10.1175 / БАМС-86-7-945.
  2. ^ Г. Мэтьюз, «Расчет статического отклика телескопа-детектора в полете с помощью деконволюции, примененный к функции рассеяния точки для эксперимента по геостационарному бюджету излучения Земли», Applied Optics, Vol 43, pp. 6313–6322, 2004.
  3. ^ а б Мэтьюз (2003). «Чувствительность геостационарного спутникового радиометра ERB к неоднородностям сцены и детектора» (PDF). Кандидатская диссертация Имперского колледжа.
  4. ^ Пристли; и другие. (2010). «Радиометрические характеристики датчиков климатических рекордов по бюджету излучения Земли CERES на космических аппаратах EOS Aqua и Terra до апреля 2007 г.». Журнал атмосферных и океанических технологий. 28 (1): 3. Bibcode:2011JAtOT..28 .... 3P. Дои:10.1175 / 2010JTECHA1521.1.
  5. ^ Парфит; и другие. (2016). «Исследование эволюции коротковолновой калибровки GERB во времени по сравнению с данными CERES Edition-3A». Дистанционное зондирование окружающей среды. 186: 416–427. Bibcode:2016RSEnv.186..416P. Дои:10.1016 / j.rse.2016.09.005.

внешние ссылки