Бюджет геостационарной радиации Земли
Бюджет геостационарной радиации Земли (GERB) [ 1 ] Это прибор на борту EUMETSAT, компании Meteosat второго поколения геостационарных спутников предназначенный для точного измерения радиационного баланса Земли . Его производил европейский консорциум, состоящий из Великобритании , Бельгии и Италии . Первый, известный как GERB 2, был запущен 28 августа 2002 года на ракете Ariane 5 . Второй, GERB 1, был запущен 21 декабря 2005 года, а третий, GERB3, 5 июля 2012 года. Последнее устройство GERB 4 было запущено 14 июля 2015 года. Первый запущенный на борту MSG 1 аппарат GERB 2 в настоящее время находится над Индийским океаном. на 41,5° в.д., тогда как GERB 1 и 3 на MSG 2 и 3 все еще расположены над стандартной Африкой. Позиция ЕВМЕТСАТ . ГЕРБ 4 по MSG еще не вступил в строй.
Научные мотивы и цели
[ редактировать ]Беспрецедентные темпы увеличения количества CO 2 в атмосфере , происходящие со времен промышленной революции из-за деятельности человека, вызывают большую обеспокоенность учёных, поскольку это произошло на порядок быстрее, чем на планете Земля когда-либо наблюдалось . Климатические модели, называемые моделями глобальной циркуляции (GCM), в настоящее время являются средством исследования и попыток предсказать, как климат Земли изменится в ответ на такую беспрецедентную скорость изменений. Такие компьютерные модели в значительной степени согласуются со многими предсказаниями о том, как климат будет «приведен» в другое состояние в результате таких изменений, но все еще существует много разногласий, точнее, о том, как такое воздействие также приведет к « обратной связи » с системой. Например, увеличение выбросов CO 2 усилит парниковый эффект , что приведет к потеплению атмосферы и усилению таяния арктических льдов. Однако известно, что более теплая атмосфера может, например, содержать большее количество водяного пара при той же относительной влажности, а таяние белого арктического льда с высокой отражающей способностью подвергнет открытый океан воздействию солнечного света. Поскольку водяной пар сам по себе является очень сильным парниковым газом, а темный Северный Ледовитый океан будет поглощать больше солнечного света, чем плавучий лед с высокой отражающей способностью, оба этих 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 тем, как они могут измениться в ответ на прямое потепление атмосферы из-за увеличения выбросов CO2. 2 . Эти эффекты, которые в совокупности называются воздействием облаков или радиационным воздействием облаков (CRF) и обратной связью, еще не изучены до того уровня, на котором можно с уверенностью предсказать, будут ли их возможные обратные связи в целом положительными и ускорят или отрицательными и замедлят глобальное потепление. . Действия погодно-климатической системы Земли, по сути, представляют собой работу теплового двигателя глобального масштаба, тепло в который поступает от всей поглощенной солнечной энергии, а тепло уходит обратно в космос за счет тепловых инфракрасных излучений. Эти два радиационных потока называются коротковолновыми (SW для солнечной энергии) и длинноволновыми (LW для IR) компонентами в так называемом Радиационном балансе Земли (ERB). вычитается из также необходимого для входящего солнечного потока). Таким образом, облака, естественно, оказывают огромное влияние на РПЗ из-за их высокой отражательной способности солнечного СВ и сильного поглощения исходящих тепловых ЛВ. В глобальном масштабе потоки РПЗ могут быть измерены только с орбиты и собираются с 1970-х годов миссиями из США и Европы, наиболее активно с 1998 года - НАСА. Облака и приборы системы лучистой энергии Земли (CERES) на низкой околоземной орбите. Однако такие орбитальные платформы видят каждую точку Земли максимум два раза в день, а формирование облаков и модуляция РПЗ происходит в масштабе минут (см. рис.1). Следовательно, хотя такие низкоорбитальные измерения жизненно важны для отслеживания глобальных изменений в РПЗ, их нельзя напрямую использовать для проверки компьютерного моделирования изменений в формировании и рассеивании конвективных облаков в прямом ответе на неизбежное приземное потепление из-за увеличения CO 2 и т. д. Чтобы устранить этот недостаток, необходимо Система наблюдения Земли Европейский консорциум Великобритании, Бельгии и Италии приступил к реализации проекта геостационарного бюджета радиации Земли (GERB) с намерением разместить высокоточный радиометр ERB на борту спутника Meteosat Second. Платформы со стабилизируемым вращением Generation (MSG).
Устройство GERB и калибровка
[ редактировать ]Проект GERB возглавляет Группа по космосу и атмосфере (SPAT), базирующаяся в Имперском колледже Великобритании, под руководством профессора Джона. Э. Харрис, бывший главным исследователем, теперь его сменила доктор Хелен Бриндли. Сами устройства были построены Лабораторией Резерфорда Эпплтона с использованием итальянского трехзеркального серебряного телескопа и электроники, разработанной Центром космических наук Лестерского университета, Великобритания. Каждое из четырех завершенных устройств GERB прошло обширную наземную радиометрическую калибровку в вакуумной калибровочной камере (VCC) в Центре наблюдения и определения характеристик Земли (EOCF), а также в Имперском колледже и разработанную Рэем Ригли. Такие испытания включали подтверждение линейности, определение радиометрического усиления LW с использованием теплых и холодных черных тел (WBB и CBB), определение усиления SW с использованием лампы источника видимой калибровки (VISCS) и выборочные проверки спектрального отклика на уровне системы.
В каждом устройстве GERB используется линейная матрица затемненных термобатарейных детекторов производства Honeywell, которые смотрят на Землю при каждом вращении платформы MSG со скоростью 100 об/мин с помощью зеркала десканирования (DSM). Следовательно, при каждом обороте снимается столбец земного диска, позволяющий получить 250x256 общих выборок каналов, за которыми следуют 250x256 выборок SW с установленным кварцевым фильтром каждые 5 минут (т. е. относительная фаза вращения DSM и MSG слегка смещается при каждом обороте, см. рис. .4 внизу справа). Таким образом, при каждом обороте детекторы также видят внутреннее черное тело (IBB) и монитор калибровки (CalMon), что позволяет постоянно обновлять изменения усиления LW и SW. Его размещение ближе к окраине вращающейся платформы MSG шириной 3 метра потребовало тщательной разработки устройства GERB, чтобы оно могло выдерживать постоянную центробежную силу 16 g, которой оно подвергается при вращении DSM.
Каждые 15 минут после получения трех полных массивов Total и SW 250x256 земного диска синтетический результат LW получается на основе средней разницы между ними. Такие результаты ERB затем объединяются с повышением разрешения и получением данных из облаков с использованием Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI), также на платформе MSG. Комбинация GERB и SEVIRI посредством синергии данных также потребовала детального картирования каждого из 256 откликов поля зрения детектора/телескопа GERB или функции распределения точки (PSF, см. Matthews (2004)). [ 2 ] ). Это было сделано с использованием He-Ne лазерного компьютера, которым управляли для картирования ответов каждой из 256 термобатарей после их покрытия золотым чернением. Полную информацию о наземной калибровке GERB можно получить у Мэтьюза (2003). [ 3 ] Спектральный отклик или измерение относительного поглощения на разных длинах волн света для каждого детектора GERB необходим для процесса отмены фильтрации необработанного сигнала каждой термобатареи. При этом используются модели переноса излучения для оценки спектральной формы излучения конкретной сцены для оценки коэффициента отсутствия фильтрации или коэффициента, необходимого для учета неоднородного спектрального отклика. Для каждого устройства GERB это зависит от умножения лабораторных измерений детектора, телескопа, DSM и кварцевого фильтра спектральной пропускной способности/поглощения. Точность результатов ГЕРБ-СВ напрямую зависит от качества таких измерений, поскольку усиление СВ определяется с помощью лампы VISCS, спектр которой значительно сдвинут в сторону более длинных волн по сравнению со спектром Солнца. Такая точность GERB в настоящее время оценивается на уровне около 2% по ссылке. Такая отмена фильтрации выполняется Королевским метеорологическим институтом Бельгии (RMIB) вместе с синергией с данными SEVIRI и преобразованием яркости в освещенность с использованием моделей угловой зависимости (ADM).
GERB калибровка в полете
[ редактировать ]Как показано на рис.4, для каждого из 100 оборотов в минуту каждый детектор GERB сканирует как внутреннее черное тело (IBB), так и солнечный диффузор CalMon. Прирост в количествах на Вт −2 старший −1 а смещения каждого пикселя термобатареи регулярно обновляются на основе известной температуры IBB и отличия его сигнала от сигнала Earthview. Первоначальное намерение состояло в том, чтобы использовать изображения CalMon с алюминиевым солнечным рассеивателем для отслеживания изменений в пропускной способности устройства GERB по солнечным фотонам (см. Уравнения [ 3 ] разработан Дж. Мюллером). Однако солнечные рассеиватели в полете и их пропускание солнечного света резко изменяются на орбите, так что НАСА сочло диффузоры на CERES непригодными для использования. [ 4 ] Кроме того, природа интегрирующей сферы CalMon означает, что солнечные фотоны, вероятно, претерпят множество отражений от алюминия на пути к телескопу GERB, что, вероятно, значительно снизит энергию при провале отражательной способности алюминия на 830 нм на неизвестную величину. Возможные альтернативы отслеживанию изменений солнечной реакции устройства GERB включают сравнение с другими устройствами ERB, такими как предлагаемый инструмент НАСА CLARREO , или, возможно, с другими широкополосными устройствами, при условии, что их калибровка будет позже проверена. [ 5 ] Другая возможность — использование изображений Луны, используемых в проекте SeaWIFS , для обеспечения стабильности результатов с Земли (см. Рис. 5).
GERB data
[ редактировать ]Данные GERB доступны на сайте загрузки GGSPS Лаборатории Резерфорда Эпплтона ниже, как показано на анимации на рис. 6, где показано полное отражение Земного диска в юго-западном направлении (слева) и исходящее в восточном направлении (справа). На этой анимации показаны потоки SW и LW ГЕРБ за 24 часа, что позволит ученым-климатологам проверить, как GCM моделируют образование и рассеивание облаков, а также влияние на ERB.
GERB-SEVIRI synergy
[ редактировать ]Поскольку потоки ERB от инструментов CERES сочетаются с облачными данными имидж-сканера MODIS , всегда было намерение связать измерения SW и LW GERB с результатами основного устройства Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (SEVIRI) на платформах MSG. В дополнение к получению данных об облаках/аэрозолях с помощью узкополосного прибора SEVIRI, данные изображения высокого пространственного разрешения сочетаются с точностью GERB для повышения разрешения потоков, определяющих климат, для лучшей оценки моделирования климатическими моделями формирования/рассеивания облаков и получения знаний. как они могут ускорить или замедлить изменение климата. Яркость SEVIRI также используется в процессе отмены фильтрации GERB, чтобы помочь оценить спектральную форму просматриваемой сцены.
Доступ к данным
[ редактировать ]В дополнение к сайту загрузки Rutherford GGSPS, в Центре анализа экологических данных (CEDA), который также указан в приведенных ниже URL-адресах, создается новый центр доступа, который обеспечит доступ к файлам GERB.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Харрис; и др. (2005). «Бюджетный проект геостационарной радиации Земли» . Бык. амер. Метеор. Соц . 86 (7): 945. Бибкод : 2005BAMS...86..945H . дои : 10.1175/BAMS-86-7-945 .
- ^ Г. Мэтьюз., «Расчет статического отклика летного телескопа-детектора путем деконволюции, примененной к функции разброса точек для эксперимента по бюджету радиации геостационарной Земли», Applied Optics, Vol 43, стр. 6313–6322, 2004.
- ^ Jump up to: а б Мэтьюз (2003). «Чувствительность геостационарного спутникового радиометра ERB к неоднородностям сцены и детектора» (PDF) . Докторская диссертация Имперского колледжа.
- ^ Пристли; и др. (2010). «Радиометрические характеристики датчиков записи климата радиационного баланса Земли CERES на космических кораблях EOS Aqua и Terra до апреля 2007 года» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 28 (1): 3. Бибкод : 2011JAtOT..28....3P . дои : 10.1175/2010JTECHA1521.1 .
- ^ Парфитт; и др. (2016). «Исследование временной эволюции коротковолновой калибровки GERB по сравнению с данными CERES Edition-3A» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 186 : 416–427. Бибкод : 2016RSEnv.186..416P . дои : 10.1016/j.rse.2016.09.005 . hdl : 10044/1/40072 .