Облака и система лучистой энергии Земли

Облака и система радиантной энергии Земли ( CERES ) - это продолжающийся климатологический эксперимент НАСА с околоземной орбиты . [1] [2] CERES - это научные спутниковые инструменты, входящие в Систему наблюдения за Землей НАСА (EOS), предназначенные для измерения как отраженной от Солнца, так и испускаемой Землей радиации от верхних слоев атмосферы (TOA) до поверхности Земли. Свойства облаков определяются с использованием одновременных измерений другими приборами EOS, такими как спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS). [3] Результаты CERES и других миссий НАСА, таких как эксперимент по оценке радиационного бюджета Земли. (ERBE), [4] может привести к лучшему пониманию роли облаков и энергетического цикла в глобальном изменении климата . [1] [5]

Художественное представление инструментов CERES, сканирующих Землю в режиме вращающейся азимутальной плоскости.
"> Файл: NPP Ceres Shortwave Radiation.ogvВоспроизвести медиа
Входящие , топ атмосферы (TOA) коротковолновый поток излучения, показывает энергия , получаемая от солнца (Jan 26-27, 2012).
"> Файл: NPP Ceres Longwave Radiation.ogvВоспроизвести медиа
Уходящее длинноволновое излучение в верхних слоях атмосферы (26–27 января 2012 г.). Тепловая энергия, излучаемая Землей (в ваттах на квадратный метр), показана оттенками желтого, красного, синего и белого цветов. Ярко-желтые области являются самыми горячими и излучают больше всего энергии в космос, в то время как темно-синие области и яркие белые облака намного холоднее и излучают меньше всего энергии.

Эксперимент CERES преследует четыре основные цели:

  • Продолжение записи ERBE радиационных потоков в верхних слоях атмосферы (TOA) для анализа изменения климата .
  • Повышение точности оценок потоков излучения на TOA и на поверхности Земли вдвое.
  • Дайте первые долгосрочные глобальные оценки радиационных потоков в атмосфере Земли.
  • Предоставьте оценки свойств облаков, которые согласуются с потоками излучения от поверхности к TOA.

Каждый прибор CERES представляет собой радиометр с тремя каналами: коротковолновый (SW) канал для измерения отраженного солнечного света в диапазоне 0,2–5 мкм , канал для измерения испускаемого Землей теплового излучения в «окне» 8–12 мкм или «WN». область и общий канал для измерения всего спектра исходящего излучения Земли (> 0,2 мкм ). Инструмент CERES был основан на успешном эксперименте по оценке радиационного баланса Земли, в котором использовались три спутника для измерения глобального энергетического баланса с 1984 по 1993 год [6].

Для миссии по записи климатических данных (CDR), такой как CERES, точность имеет большое значение и достигается для чисто инфракрасных измерений в ночное время за счет использования наземного лабораторного SI отслеживаемого черного тела для определения общего радиометрического усиления и радиометрического усиления канала WN. Однако это не относится к солнечным каналам CERES, таким как SW и солнечная часть телескопа Total, у которых нет прямой неразрывной цепи для прослеживаемости SI. Это связано с тем, что солнечные отклики CERES были измерены на земле с использованием ламп, выходная энергия которых была оценена эталонным детектором криогенной полости, в котором использовался серебряный телескоп Кассегрена, идентичный устройствам CERES, чтобы соответствовать полю зрения спутникового инструмента. Отражательная способность этого телескопа, построенного и используемого с середины 1990-х годов, фактически никогда не измерялась, а была оценена [7] только на основе образцов свидетелей (см. Слайд 9 в Priestley et al. (2014) [8] ). Такие трудности в наземной калибровке в сочетании с предполагаемыми событиями загрязнения на земле [9] привели к необходимости делать необъяснимые изменения в полете на земле в усилении детектора SW до 8% [10] просто для того, чтобы данные ERB казались чем-то вроде разумно для климатологии (обратите внимание, что CERES в настоящее время заявляет [11], что абсолютная точность SW составляет 0,9%).

Пространственное разрешение CERES в надире (эквивалентный диаметр зоны покрытия) составляет 10 км для CERES на TRMM и 20 км для CERES на спутниках Terra и Aqua . Возможно, для таких миссий, как CERES, большее значение имеет стабильность калибровки или возможность отслеживать и разделять инструментальные изменения на основе данных Земли, чтобы с уверенностью отслеживать истинное изменение климата. Бортовые источники калибровки CERES, предназначенные для этого для каналов измерения отраженного солнечного света, включают солнечные диффузоры и вольфрамовые лампы. Однако лампы имеют очень низкую мощность в важной ультрафиолетовой области длин волн, где деградация наиболее велика, и при наземных испытаниях было замечено, что их энергия дрейфует более чем на 1,4%, без возможности контролировать их на орбите (Priestley et al. (2001)). ) [12] ). Солнечные диффузоры также сильно испортились на орбите, так что Пристли и др. Объявили их непригодными для использования. (2011). [13] Пара полостей черного тела, которые можно контролировать при различных температурах, используются для каналов Total и WN, но их стабильность не была доказана выше 0,5% за декаду. [9] Наблюдения за холодным космосом и внутренняя калибровка выполняются во время обычного сканирования Земли.

Первый запуск

Первый приборный пролетный модуль (PFM) CERES был запущен на борту миссии НАСА по измерению тропических осадков (TRMM) в ноябре 1997 года из Японии . Однако этот прибор не работал через 8 месяцев из-за неисправности бортовой цепи.

CERES на спутниках миссий EOS и JPSS

Еще шесть приборов CERES были запущены в Системе наблюдения Земли и Объединенной полярной спутниковой системе . Спутник Terra, запущенный в декабре 1999 года, нес два (полетный модуль 1 (FM1) и FM2), а спутник Aqua, запущенный в мае 2002 года, нес еще два (FM3 и FM4). Пятый прибор (FM5) был запущен на спутнике АЭС Суоми в октябре 2011 года, а шестой (FM6) - на NOAA-20 в ноябре 2017 года. После отказа PFM на TRMM и потери в 2005 году SW канала FM4 на Aqua , есть пять полетных модулей CERES, которые полностью работоспособны по состоянию на 2017 год. [14] [15]

Инструменты радиационного бюджета

Измерения с помощью инструментов CERES должны были быть поддержаны Инструментом радиационного бюджета (RBI), который будет запущен на Совместной полярной спутниковой системе- 2 (JPSS-2) в 2021 году, JPSS-3 в 2026 году и JPSS-4 в 2031 году. [ 15] Проект закрыт 26 января 2018 г .; НАСА указало на технические проблемы, проблемы со стоимостью и графиком, а также на влияние ожидаемого роста затрат RBI на другие программы. [16]

CERES работает в трех режимах сканирования: по наземной траектории спутника (поперечная траектория), по направлению наземной траектории спутника (по траектории) и во вращающейся азимутальной плоскости (RAP). В режиме RAP радиометры сканируют по высоте при повороте по азимуту , таким образом измеряя энергетическую яркость в широком диапазоне углов обзора. До февраля 2005 г. на спутниках Terra и Aqua один из инструментов CERES сканировал в режиме поперечного трека, а другой - в режиме RAP или в режиме вдоль трека. Прибору, работающему в режиме сканирования RAP, ежемесячно регистрировались данные по маршруту за два дня. Однако многоугловые данные CERES позволили получить новые модели, которые учитывают анизотропию наблюдаемой сцены и позволяют восстанавливать поток излучения TOA с повышенной точностью. [17]

  • Энергетический бюджет Земли
  • Радиометрия
  • Дистанционное зондирование

  1. ^ а б Б. А. Велицкий; Харрисон, Эдвин Ф .; Сесс, Роберт Д.; Кинг, Майкл Д .; Randall, Дэвид А .; и другие. (1995). «Миссия на планету Земля: роль облаков и радиации в климате» . Бык. Являюсь. Meteorol. Soc . 76 (11): 2125–2152. Bibcode : 1995BAMS ... 76.2125W . DOI : 10,1175 / 1520-0477 (1995) 076 <2125: MTPERO> 2.0.CO; 2 .
  2. ^ Велицкий; и другие. (1996). «Облака и система радиантной энергии Земли (CERES): эксперимент с системой наблюдения за Землей» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 77 (5): 853–868. Bibcode : 1996BAMS ... 77..853W . DOI : 10,1175 / 1520-0477 (1996) 077 <0853: CATERE> 2.0.CO; 2 .
  3. ^ П. Миннис; и другие. (Сентябрь 2003 г.). «Получение свойств облака CERES с тепловизора на TRMM, Terra и Aqua» (PDF) . Испания. С. 37–48. Неизвестный параметр |book-title=игнорируется ( справка ); Неизвестный параметр |conference=игнорируется ( справка )
  4. ^ Баркстрем, Брюс Р. (1984). «Эксперимент по радиационному бюджету Земли» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 65 (11): 1170–1186. Bibcode : 1984BAMS ... 65.1170B . DOI : 10,1175 / 1520-0477 (1984) 065 <1170: TERBE> 2.0.CO; 2 .
  5. ^ "Дистанционное зондирование поверхности и атмосферы: технологии, анализ и интерпретация данных. Международный". Симпозиум по геонаукам и дистанционному зондированию IGARSS '94 . 1994 г.
  6. ↑ NASA, Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) (по состоянию на 9 сентября 2014 г.)
  7. ^ М. Фолкман и др., «Калибровка коротковолнового эталона путем переноса из эталона черного тела с использованием криогенного радиометра с активным резонатором», IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, стр. 2298–2300, 1994.
  8. ^ Пристли, Кори; и другие. (5 августа 2014 г.). "CERES CALCON Talk" .
  9. ^ а б Мэтьюз (2009). «Оценка характеристик и стабильности калибровки в полете для облаков и системы радиантной энергии Земли (CERES)» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 28 : 3. Bibcode : 2011JAtOT..28 .... 3P . DOI : 10.1175 / 2010JTECHA1521.1 .
  10. ^ Пристли, Кори (1 июля 2002 г.). "Изменения прироста CERES" . Архивировано из оригинального 12 декабря 2016 года . Проверено 8 декабря 2017 года .
  11. ^ Велицкий; и другие. (2013). «Достижение абсолютной точности изменения климата» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 94 (10): 1519. Bibcode : 2013BAMS ... 94.1519W . DOI : 10.1175 / BAMS-D-12-00149.1 .
  12. ^ Пристли; и другие. (2001). «Радиометрическая проверка облаков и протополетной модели системы радиантной энергии Земли (CERES) на космическом корабле миссии по измерению тропических осадков (TRMM) до 1999 года» . Журнал прикладной метеорологии . 39 (12): 2249. Bibcode : 2000JApMe..39.2249P . DOI : 10,1175 / 1520-0450 (2001) 040 <2249: PRVOTC> 2.0.CO; 2 .
  13. ^ Пристли; и другие. (2011). «Радиометрические характеристики датчиков климатических рекордов по радиационному бюджету 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 . DOI : 10.1175 / 2010JTECHA1521.1 .
  14. ^ «Объединенная полярная спутниковая система - график запуска» . www.jpss.noaa.gov . Архивировано из оригинала 19 января 2017 года . Проверено 23 января 2017 года .
  15. ^ а б «Объединенная полярная спутниковая система: предназначение и инструменты» . НАСА . Проверено 14 ноября 2017 года .
  16. ^ «НАСА отменяет набор датчиков наук о Земле для запуска в 2021 году» . NASA.gov . 2018-01-26 . Проверено 28 января 2018 .
  17. ^ Loeb, NG; Като, Сэйдзи; Лукачин, Константин; Манало-Смит, Нативидад; и другие. (2005). «Модели углового распределения для оценки потока излучения в верхних слоях атмосферы с помощью инструмента Облака и системы лучистой энергии Земли на спутнике Terra. Часть I: Методология» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 22 (4): 338–351. Bibcode : 2005JAtOT..22..338L . DOI : 10,1175 / JTECH1712.1 .

  • Официальный сайт НАСА ЦЕРЕС
  • CERES Data Products
  • Спутник Terra, флагман NASA EOS
  • Аква саталлит, НАСА EOS
  • ВИДИМАЯ ЗЕМЛЯ, каталог изображений ЦЕРЕСа