Облака и лучистая энергетическая система Земли

Облака и система лучистой энергии Земли ( CERES ) – это постоянно действующее исследование. [update] НАСА Климатологический эксперимент с околоземной орбиты . [ 1 ] [ 2 ] CERES — это научные спутниковые инструменты, входящие в систему наблюдения за Землей НАСА (EOS), предназначенные для измерения как отраженного от Солнца, так и излучаемого Землей излучения от верхних слоев атмосферы ( TOA) до поверхности Земли. Свойства облаков определяются с помощью одновременных измерений другими инструментами EOS, такими как спектрорадиометр для получения изображений среднего разрешения (MODIS). [ 3 ] Результаты CERES и других миссий НАСА, таких как Эксперимент по радиационному бюджету Земли (ERBE), [ 4 ] (EEI) в режиме реального времени может позволить отслеживать энергетический дисбаланс Земли и лучше понимать роль облаков в глобальном изменении климата . [ 1 ] [ 5 ]

Научные цели
[ редактировать ]Эксперимент CERES преследует четыре основные цели:
- Продолжение регистрации радиационных потоков в верхних слоях атмосферы (TOA) ERBE для изменения климата . анализа
- Удвоение точности оценок радиационных потоков на ТОА и поверхности Земли.
- Предоставить первые долгосрочные глобальные оценки радиационных потоков в атмосфере Земли.
- Предоставьте оценки свойств облаков, которые соответствуют потокам излучения от поверхности к TOA.
Каждый прибор CERES представляет собой радиометр , имеющий три канала: коротковолновый (КВ) канал для измерения отраженного солнечного света в диапазоне 0,2–5 мкм , канал для измерения теплового излучения Земли в 8–12 мкм «окне» или «WN». региона и Общий канал для измерения всего спектра уходящего от Земли излучения (>0,2 мкм ). Инструмент CERES был основан на успешном эксперименте по балансу радиации Земли , в котором с 1984 по 1993 год использовались три спутника для измерения глобального энергетического баланса. [ 6 ]
Миссии
[ редактировать ]Первый запуск
[ редактировать ]Первый прото-полетный модуль (PFM) прибора CERES был запущен на борту миссии НАСА по измерению тропических осадков (TRMM) в ноябре 1997 года из Японии . Однако через 8 месяцев этот прибор не заработал из-за неисправности бортовой цепи.
CERES на спутниках миссий EOS и JPSS
[ редактировать ]Еще шесть инструментов CERES были запущены в Системе наблюдения Земли и Объединенной полярной спутниковой системе . На спутнике «Терра», запущенном в декабре 1999 года, было установлено два спутника (полетный модуль 1 (FM1) и FM2), а на спутнике «Аква», запущенном в мае 2002 года, было еще два (FM3 и FM4). Пятый прибор (FM5) был запущен на спутнике АЭС Суоми в октябре 2011 года, а шестой (FM6) на спутнике NOAA-20 в ноябре 2017 года. После отказа PFM на TRMM и потери в 2005 году SW-канала FM4 на Aqua По состоянию на 2017 год пять летных модулей CERES полностью готовы к работе. [ 7 ] [ 8 ]
Инструменты радиационного бюджета
[ редактировать ]Измерениям приборов CERES должен был способствовать запуск инструмента радиационного баланса (RBI), который будет запущен на Объединенной полярной спутниковой системе -2 (JPSS-2) в 2021 году, JPSS-3 в 2026 году и JPSS-4 в 2031 году. [ 8 ] Проект был отменен 26 января 2018 года; НАСА указало на технические проблемы, проблемы с затратами и графиком, а также на влияние ожидаемого роста затрат RBI на другие программы. [ 9 ]
Бесплатно
[ редактировать ]В феврале 2020 года НАСА объявило о выборе инструмента Libera для запуска на JPSS-3 к концу 2027 года. [ 10 ] Планируется, что Libera обеспечит непрерывность данных и обновленные возможности. ЛАСП является ведущим разработчиком приборов. [ 11 ]
Режимы работы
[ редактировать ]спутника CERES работает в трех режимах сканирования: поперек наземной траектории (поперек траектории), вдоль направления наземной траектории спутника (вдоль траектории) и во вращающейся азимутальной плоскости (RAP). В режиме RAP радиометры сканируют по углу места, вращаясь по азимуту , таким образом измеряя яркость в широком диапазоне углов обзора. До февраля 2005 года на спутниках Terra и Aqua один из приборов CERES сканировал в поперечном режиме, а другой - в режиме RAP или вдоль пути. Прибор, работающий в режиме RAP-сканирования, каждый месяц принимал два дня вдольпутных данных. Однако многоугольные данные CERES позволили вывести новые модели, которые учитывают анизотропию наблюдаемой сцены и позволяют определять поток излучения TOA с повышенной точностью. [ 12 ]
Все инструменты CERES находятся на солнечно-синхронной орбите . Сопоставимые геостационарные данные между 60 ° ю.ш. и 60 ° с.ш. также применяются в рамках «сбалансированных и заполненных» информационных продуктов для обеспечения дневного полного представления радиационного баланса и учета изменений облаков между периодами наблюдения CERES. [ 13 ]
Методы калибровки
[ редактировать ]Приборы CERES были разработаны для обеспечения повышенной стабильности и точности измерений , однако известно, что достижение и обеспечение абсолютной точности с течением времени остается постоянной проблемой. [ 14 ] Несмотря на более продвинутые возможности CERES отслеживать радиационные потоки TOA Земли в глобальном масштабе и с относительной точностью, единственный практический способ оценить абсолютную величину EEI (по состоянию на 2020 год) - это инвентаризация изменений энергии в климатической системе. [ 15 ] Следовательно, важным ограничением в продуктах данных CERES является привязка EEI в определенный момент времени к значению, которое соответствует данным ARGO за несколько лет . [ 13 ]
Абсолютная калибровка грунта
[ редактировать ]Для миссии по записи климатических данных (CDR), такой как CERES, точность имеет большое значение и достигается для измерений в чистом инфракрасном диапазоне в ночное время за счет использования наземного лабораторного отслеживаемого черного тела SI 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, которые не имеют прямой непрерывной цепочки отслеживания SI. Это связано с тем, что солнечные отклики CERES измерялись на земле с использованием ламп, выходная энергия которых оценивалась с помощью эталонного детектора с криорезонатором, в котором использовался серебряный телескоп Кассегрена, идентичный устройствам CERES, чтобы соответствовать полю зрения спутниковых приборов. По оценкам, отражательная способность этого телескопа, построенного и используемого с середины 1990-х годов, никогда не измерялась. [ 16 ] только на основе образцов свидетелей (см. слайд 9 Priestley et al. (2014) [ 17 ] ). Такие трудности с наземной калибровкой в сочетании с подозрениями на наземное загрязнение. [ 18 ] привели к необходимости внесения необъяснимых изменений в коэффициенты усиления детектора SW на уровне 8%, [ 19 ] просто для того, чтобы данные ERB выглядели несколько разумными для климатологии (обратите внимание, что CERES в настоящее время утверждает, что [ 14 ] абсолютная точность SW одна сигма 0,9%).
Калибровка в полете
[ редактировать ]Пространственное разрешение CERES в надире (эквивалентный диаметр зоны обслуживания) составляет 10 км для CERES на спутниках TRMM и 20 км для CERES на Terra и Aqua спутниках . Возможно, большее значение для таких миссий, как CERES, имеет стабильность калибровки или способность отслеживать и разделять инструментальные изменения на основе земных данных, чтобы с уверенностью отслеживать истинные изменения климата. CERES, Бортовые источники калибровки предназначенные для достижения этой цели в каналах измерения отраженного солнечного света, включают солнечные рассеиватели 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 (Пристли и др. (2001) ) [ 20 ] ). Солнечные рассеиватели также сильно ухудшились на орбите, так что Пристли и др. объявили их непригодными для использования. (2011). [ 21 ] Для каналов Total и WN используется пара полостей черного тела , которыми можно управлять при разных температурах, но их стабильность не превышает 0,5% / десятилетие. [ 18 ] Наблюдения в холодном космосе и внутренняя калибровка выполняются во время обычного сканирования Земли.
Интеркалибровка
[ редактировать ]Данные сравниваются между инструментами CERES на спутниках разных миссий, а также сопоставляются с эталонными данными сканирования сопутствующих спектрорадиометров (например, MODIS на Aqua). Запланированная миссия CLARREO Pathfinder направлена на предоставление современного эталонного стандарта для нескольких существующих инструментов EOS, включая CERES. [ 14 ]
Исследование ежегодных изменений энергетического дисбаланса Земли (EEI), охватывающее 2005-2019 годы, показало хорошее согласие между наблюдениями CERES и EEI, полученными на основе измерений на месте поглощения тепла океаном плавучей сетью Argo. [ 22 ] Пара параллельных исследований, измеряющих глобальное поглощение тепла океаном, таяние льда и повышение уровня моря с помощью комбинации космической альтиметрии и гравиметрии, выявила аналогичные соглашения. [ 23 ] [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]
- Энергетический бюджет Земли
- Бюджет геостационарной радиации Земли
- Радиометрия
- Дистанционное зондирование
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Б. А. Велицкий; Харрисон, Эдвин Ф.; Сесс, Роберт Д.; Кинг, Майкл Д.; Рэндалл, Дэвид А.; и др. (1995). «Миссия на планету Земля: роль облаков и радиации в климате» . Бык. Являюсь. Метеорол. Соц . 76 (11): 2125–2152. Бибкод : 1995BAMS...76.2125W . doi : 10.1175/1520-0477(1995)076<2125:MTPERO>2.0.CO;2 .
- ^ Велицкий; и др. (1996). «Облака и система лучистой энергии Земли (CERES): эксперимент с системой наблюдения Земли» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 77 (5): 853–868. Бибкод : 1996BAMS...77..853W . doi : 10.1175/1520-0477(1996)077<0853:CATERE>2.0.CO;2 .
- ^ П. Миннис; и др. (сентябрь 2003 г.). «Извлечение свойств облака CERES из Imager на TRMM, Terra и Aqua» (PDF) . Материалы 10-го Международного симпозиума SPIE по дистанционному зондированию . Конференция по дистанционному зондированию облаков и атмосферы VII. Испания. стр. 37–48.
- ^ Баркстрем, Брюс Р. (1984). «Эксперимент по бюджету радиации Земли» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 65 (11): 1170–1186. Бибкод : 1984BAMS...65.1170B . doi : 10.1175/1520-0477(1984)065<1170:TERBE>2.0.CO;2 .
- ^ «Дистанционное зондирование поверхности и атмосферы: технологии, анализ и интерпретация данных. Международный». Симпозиум по геонаукам и дистанционному зондированию IGARSS '94 . 1994.
- ↑ НАСА, Облака и система лучистой энергии Земли (CERES) (по состоянию на 9 сентября 2014 г.)
- ^ «Объединенная полярная спутниковая система – График запусков» . www.jpss.noaa.gov . Архивировано из оригинала 19 января 2017 года . Проверено 23 января 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Объединенная полярная спутниковая система: миссия и инструменты» . НАСА . Проверено 14 ноября 2017 г.
- ^ «НАСА отменяет набор датчиков для наук о Земле для запуска в 2021 году» . НАСА.gov . 26 января 2018 г. Проверено 28 января 2018 г.
- ^ «НАСА выбирает новый инструмент для продолжения ключевого климатического рекорда» . НАСА . 26 февраля 2020 г. Проверено 19 октября 2023 г.
- ^ Дэниел Стрейн (27 февраля 2020 г.). «Космическая миссия стоимостью 130 миллионов долларов для мониторинга энергетического бюджета Земли» . CU Боулдер . Проверено 19 октября 2023 г.
- ^ Леб, штат Нью-Йорк; Като, Сейджи; Лукачин, Константин; Манало-Смит, Нативидад; и др. (2005). «Модели углового распределения для оценки потока радиации в верхней части атмосферы от облаков и прибора системы лучистой энергии Земли на спутнике Терра. Часть I: Методология» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 22 (4): 338–351. Бибкод : 2005JAtOT..22..338L . дои : 10.1175/JTECH1712.1 .
- ^ Перейти обратно: а б Леб, Норман Г.; Доеллинг, Дэвид Р.; Хайлан, Ван; Су, Вэньлин; и др. (15 января 2018 г.). «Облака и система лучистой энергии Земли (CERES). Энергетический сбалансированный и заполненный (EBAF) продукт для верхних слоев атмосферы (TOA) Edition-4.0» . Журнал климата . 31 (2): 895–918. Бибкод : 2018JCli...31..895L . дои : 10.1175/JCLI-D-17-0208.1 .
- ^ Перейти обратно: а б с Велицкий, Брюс А.; Янг, Д.Ф.; Млынчак, М.Г.; Том, К.Дж.; Лерой, С.; и др. (1 октября 2013 г.). «Достижение абсолютной точности изменения климата на орбите» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 94 (10): 1519–1539. Бибкод : 2013BAMS...94.1519W . дои : 10.1175/BAMS-D-12-00149.1 .
- ^ Тренберт, Кевин Э; Ченг, Лицзин (01 сентября 2022 г.). «Взгляд на изменение климата с учетом энергетического дисбаланса Земли» . Экологические исследования: Климат . 1 (1): 013001. doi : 10.1088/2752-5295/ac6f74 . ISSN 2752-5295 .
- ^ М. Фолкман и др., «Калибровка коротковолнового эталонного стандарта путем переноса со стандарта черного тела с использованием криогенного радиометра с активным резонатором», Симпозиум IEEE Geoscience and Remote Sensing, стр. 2298–2300, 1994.
- ^ Пристли, Кори; и др. (5 августа 2014 г.). «Разговор о ЦЕРЕРЕ КАЛКОН» .
- ^ Перейти обратно: а б Мэтьюз (2009). «Оценка спектральных характеристик в полете и оценка стабильности калибровки облаков и системы лучистой энергии Земли (CERES)» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 28 (1): 3. Бибкод : 2011JAtOT..28....3P . дои : 10.1175/2010JTECHA1521.1 .
- ^ Пристли, Кори (1 июля 2002 г.). «CERES получает изменения» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2016 года . Проверено 8 декабря 2017 г.
- ^ Пристли; и др. (2001). «Радиометрическая проверка после запуска прототипа полетной модели облаков и системы лучистой энергии Земли (CERES) на космическом корабле миссии по измерению тропических осадков (TRMM) до 1999 года» . Журнал прикладной метеорологии . 39 (12): 2249. Бибкод : 2000JApMe..39.2249P . doi : 10.1175/1520-0450(2001)040<2249:PRVOTC>2.0.CO;2 .
- ^ Пристли; и др. (2011). «Радиометрические характеристики датчиков записи климата радиационного баланса Земли CERES на космических кораблях EOS Aqua и Terra до апреля 2007 г.» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 28 (1): 3. Бибкод : 2011JAtOT..28....3P . дои : 10.1175/2010JTECHA1521.1 .
- ^ Леб, Норман Г.; Джонсон, Грегори К.; Торсен, Тайлер Дж.; Лайман, Джон М.; и др. (15 июня 2021 г.). «Данные спутников и океана показывают заметное увеличение скорости нагрева Земли» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (13). Бибкод : 2021GeoRL..4893047L . дои : 10.1029/2021GL093047 .
- ^ Марти, Флоренция; Блазкес, Алехандро; Мейсиньяк, Бенуа; Аблен, Михаэль; Барну, Энн; и др. (2021). «Мониторинг изменения теплосодержания океана и энергетического дисбаланса Земли по данным космической альтиметрии и космической гравиметрии» . Данные науки о системе Земли . дои : 10.5194/essd-2021-220 .
- ^ Хакуба, МЗ; Фредерикс, Т.; Ландерер, ФРВ (28 августа 2021 г.). «Энергетический дисбаланс Земли с точки зрения океана (2005–2019)» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (16). Бибкод : 2021GeoRL..4893624H . дои : 10.1029/2021GL093624 .