Rozpočet geostacionárního záření Země - Geostationary Earth Radiation Budget

The Rozpočet geostacionárního záření Země (GERB[1]) je nástroj na palubě EUMETSAT je Meteosat Druhá generace geostacionární satelity určené k provádění přesných měření Rozpočet záření Země.

Obr. 1. Přístroj GERB.

To bylo produkováno a evropský konsorcium skládající se z Spojené království, Belgie a Itálie. První, známý jako GERB 2, byl zahájen dne 28. Srpna 2002 dne Ariane 5 raketa. Druhý, GERB 1, byl spuštěn 21. prosince 2005 a třetí, GERB3, 5. července 2012. Poslední zařízení GERB 4 bylo spuštěno 14. července 2015. První spuštěný GERB 2 na MSG 1 je v současné době umístěn nad Indický oceán při 41,5 ° E, zatímco GERB 1 a 3 na MSG 2 a 3 jsou stále umístěny nad standardem Afrika EUMETSAT pozice. GERB 4 na MSG teprve vstoupí do provozu.

Neznámé údaje o měření a předpovídání změn klimatu Země

Bezprecedentní rychlost atmosférické CO
2 nárůst od roku 2005 Průmyslová revoluce V důsledku lidské činnosti se vědci velmi zajímají, protože k ní došlo o řád rychleji než planeta Země kdy zažil. Klimatické modely popsáno jako Globální modely oběhu (GCMs) are currently avenue to investigate and try and predict how Země klima se změní v reakci na takovou bezprecedentní rychlost změny.

Obr. 2. Časové a prostorové měřítko vlivů podnebí a oblačnosti.

Takový počítačové modely do značné míry se shodují na mnoha předpovědích, jak klima bude těmito změnami „přinucen“ do jiného státu, ale stále existuje spousta neshod, konkrétněji, jak takové vynucení také vyústí v “zpětné vazby „do systému. Například zvýšené CO
2 zvýší skleníkový efekt což má za následek teplejší atmosféru a více tání arktického ledu. Je však známo, že teplejší atmosféra může například obsahovat větší množství vodní páry při stejné relativní vlhkosti a tání vysoce reflexního bílého arktického ledu vystaví otevřený oceán slunečnímu záření. Jelikož vodní pára je sama o sobě velmi silným skleníkovým plynem a temný Severní ledový oceán bude absorbovat více slunečního světla než vysoce odražený plovoucí led, jedná se o rozumně dobře pochopitelné pozitivní zpětné vazby, které budou působit na urychlení rychlosti globálního oteplování. Snad nejméně chápaný aspekt změny klimatu zahrnuje mraky a to, jak by se mohly změnit v reakci na přímé atmosférické oteplování CO
2. Tyto efekty se souhrnně označují jako Cloud Forcing nebo Cloud Radiative Forcing (CRF) a Feedback nejsou dosud chápány na úroveň, kde lze s jistotou předpovědět, zda jejich případné zpětné vazby budou celkem pozitivní a zrychlí se, nebo negativní a zpomalí globální oteplování. Akce systému počasí / klimatu na Zemi jsou v zásadě prací provedenou tepelným motorem v globálním měřítku, do kterého teplo pochází ze všech absorbovaných solárních energií, zatímco teplo vychází z tepelných infračervených emisí zpět do vesmíru. Tyto dva radiační toky se označují jako krátkovlnné (SW pro solární) a dlouhovlnné (LW pro IR) komponenty, které se označují jako rozpočet na radiační záření Země (ERB, přirozeně teplo vyžaduje měření odraženého SW a odečteno od také potřebného pro příchozí sluneční tok). Mraky proto přirozeně mají obrovský vliv na ERB kvůli jejich vysoké sluneční odrazivosti SW a jejich silné absorpci odcházejícího tepelného LW. Globálně mohou být toky ERB měřeny pouze z oběžné dráhy a byly shromažďovány od 70. let misemi z USA a Evropy, nejrozsáhleji od roku 1998 NASA Mrak a systém záření Země (CERES) nástroje na nízké oběžné dráze Země. Takové orbitální platformy však maximálně vidí každý bod Země pouze dvakrát denně, zatímco tvorba mraků a modulace ERB se vyskytují v časovém měřítku minut (viz obr.1). Proto, ačkoli je to nezbytné pro sledování globálních změn v ERB, nelze taková nízká orbitální měření přímo použít k ověření počítačových simulací změn konvektivní tvorby mraků a rozptylu v přímé reakci na nevyhnutelné oteplování povrchu v důsledku CO
2 k řešení tohoto nedostatku v systému pozorování Země se evropské konsorcium mezi Velkou Británií, Belgií a Itálií pustilo do projektu Geo-stacionární rozpočet na radiační záření Země (GERB) s úmyslem umístit na palubu Meteosatu vysoce přesný radiometr ERB Stabilizované platformy druhé generace (MSG).

Zařízení a kalibrace GERB

Projekt GERB je veden Skupinou pro vesmír a atmosféru (SPAT) se sídlem v Imperial College UK, s profesorem Johnem. E. Harries, původní hlavní vyšetřovatel, a nyní uspěla Dr. Helen Brindley.

Obr.3 Zařízení pro charakterizaci pozorování Země (EOCF)

Samotná zařízení byla vyrobena společností Laboratoř Rutherford Appleton pomocí italského 3 zrcadlového stříbrného dalekohledu a elektroniky navržené střediskem Space Science v University of Leicester SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ.

Obr.4 Zařízení GERB.

Každé ze čtyř dokončených zařízení GERB prošlo rozsáhlou pozemní radiometrickou kalibrací ve vakuové kalibrační komoře (VCC) v zařízení pro pozorování a charakterizaci Země (EOCF), také na Imperial College a navržené Rayem Wrigleym. Mezi takové testy patřilo potvrzení linearity, stanovení radiometrického zisku LW pomocí Warm a Cold BlackBodies (WBB a CBB), stanovení zisku SW pomocí lampy Visible Calibration Source (VISCS) a bodové kontroly spektrální odezvy na úrovni systému.

Každé zařízení GERB využívá lineární řadu zčernalých termočlánkových detektorů vyráběných společností Honeywell, které hledí na Zemi při každé rotaci 100 ot./min platformy MSG s využitím De-Scan Mirror (DSM). Proto se při každé otáčce odebírá sloupec zemského disku, což umožňuje 250x256 vzorků celkového kanálu následovaných 250x256 SW vzorky s křemenným filtrem na místě každých 5 minut (tj. Relativní fáze rotace DSM k MSG se každou rotaci mírně posune, viz obr. .4 vpravo dole). Při každé rotaci proto detektory také vidí Internal Blackbody (IBB) a Calibration Monitor (CalMon), které umožňují průběžnou aktualizaci změn zisku LW a SW. Jeho umístění směrem k okraji 3 metru široké spřádací platformy MSG vyžadovalo přísný design zařízení GERB, aby odolalo konstantní odstředivé síle 16 g, které je vystaveno při otáčení DSM.

Každých 15 minut po 3 úplných polích pole Total a SW 250x256 zemského disku se získá syntetický výsledek LW ze středního rozdílu mezi těmito dvěma. Takové výsledky ERB jsou poté kombinovány s vylepšením rozlišení a získáváním cloudů pomocí Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) také na platformě MSG. Kombinace GERB a SEVIRI prostřednictvím synergie dat také vyžadovala podrobné mapování každé z 256 detektorů / dalekohledů GERB Field of View response nebo Point Spread Function (PSF, viz Matthews (2004)[2] ). To bylo provedeno pomocí He-Ne laserového počítače řízeného k mapování každé z 256 odpovědí termopilů poté, co byla pokryta zlatem. Veškeré podrobnosti pozemní kalibrace GERB lze získat na Matthews (2003).[3] Spektrální odezva nebo míra relativní absorpce při různých vlnových délkách světla pro každý detektor GERB je nutná pro proces odfiltrování surového signálu každého termočlánku. To využívá modely radiačního přenosu k odhadu spektrálního tvaru konkrétní záře scény k odhadu poměru odfiltrování nebo faktoru potřebného k zohlednění nejednotné spektrální odezvy. U každého zařízení GERB to závisí na znásobení laboratorních měření na úrovni jednotky detektoru, dalekohledu, DSM a spektrálního výkonu / absorpce křemenného filtru. Přesnost výsledků GERB SW přímo závisí na kvalitě takových měření, protože zisk SW se určuje pomocí lampy VISCS, jejíž spektrum je významně posunuto na delší vlnové délky ve srovnání se sluncem. Taková přesnost GERB se v současné době podle odhadů pohybuje kolem úrovně 2%. Takové odfiltrování provádí Královský meteorologický institut Belgie (RMIB) spolu s synergií s daty SEVIRI a konverzí z záření na záření pomocí modelů úhlové závislosti (ADM).

Kalibrace za letu GERB

Jak je znázorněno na obr.4, pro každou ze 100 otáček za minutu získá každý detektor GERB sken jak vnitřního černého tělesa (IBB), tak solárního difuzoru CalMon.

Obr. 5 GERB SW a celkové prohledávání kanálů Měsíc

Zisk v počtech na Wm−2Sr−1 a posuny každého pixelu termopiloty jsou pravidelně aktualizovány na základě známé teploty IBB a rozdílu jeho signálu od teploty Země. Původním záměrem bylo použít zobrazení CalMon z hliníkového solárního difuzoru ke sledování změn v propustnosti zařízení GERB solárních fotonů (viz Rovnice[3] vyvinutý J. Muellerem). Solární difuzory za letu a jejich přenos slunečního záření se však na oběžné dráze drasticky mění, takže difuzory na CERESu NASA považovala za nepoužitelné.[4] Integrační sférická povaha CalMonu také znamená, že sluneční fotony pravděpodobně prošly mnoha odrazy od hliníku na cestě k dalekohledu GERB, což pravděpodobně výrazně sníží energii při 830 nm ponoření do hliníkové odrazivosti o neznámé množství. Možné alternativy pro sledování změn solární odezvy zařízení GERB zahrnují srovnání s jinými zařízeními ERB, jako je navrhované NASA CLARREO přístroj nebo možná jiná širokopásmová zařízení za předpokladu, že je jejich kalibrace později ověřena.[5] Další možností je použití pohledů na Měsíc, jak je používá SeaWIFS projekt pro zajištění stability výsledků Země (viz obr.5).

Údaje GERB

Údaje GERB jsou k dispozici na internetu Laboratoř Rutherford Appleton Níže je uveden web pro stahování GGSPS, jak je znázorněno v animaci na obr.6, která zobrazovala celý disk Země odrážející SW (vlevo) a odchozí LW (vpravo).

Obr.6 GERB 2 na tokech MSG1 SW a LW.

Tato animace ukazuje 24hodinové toky GERB SW a LW, které vědcům v oblasti klimatu umožní ověřit, jak GCM simulují tvorbu a rozptyl mraků a účinky na ERB.

GERB-SEVIRI Synergy

Protože toky ERB z CERES nástroje jsou spárovány s MODIS vyhledávání cloudů imagerů, vždy bylo záměrem spojit měření GERB SW a LW s výsledky Spinning Enhanced Visible a Infra-Red Imager (SEVIRI ) primární zařízení na platformách MSG. Kromě získávání cloud / aerosolů z úzkopásmového nástroje SEVIRI jsou data zobrazovače s vysokým prostorovým rozlišením kombinována s přesností GERB, aby bylo možné provést zlepšení rozlišení toků řízení podnebí, aby bylo možné lépe vyhodnotit simulace klimatického modelu formování / rozptylu mraků a vědět jak mohou urychlit nebo zpomalit změnu klimatu. Záření SEVIRI se také používají v procesu odfiltrování GERB, aby pomohly odhadnout spektrální tvar sledované scény.

Přístup k datům

Kromě webu pro stahování Rutherford GGSPS se v Centru pro analýzu dat o životním prostředí (CEDA) nastavuje nový přístupový uzel, který je také uveden v níže uvedených adresách URL, které umožní přístup k souborům GERB.

Reference

  1. ^ Harries; et al. (2005). „Projekt rozpočtu na geostacionární záření Země“. Býk. Amer. Meteor. Soc. 86 (7): 945. Bibcode:2005 BAMS ... 86..945H. doi:10.1175 / BAMS-86-7-945.
  2. ^ G. Matthews., „Výpočet statické odezvy detektoru za letu pomocí dekonvoluce aplikované na funkci rozptylu bodů pro experiment Geostationary Earth Radiation Budget,“ Applied Optics, sv. 43, str. 6313–6322, 2004.
  3. ^ A b Matthews (2003). "Citlivost geostacionárního satelitu ERB radiometru na nerovnoměrnost scény a detektoru" (PDF). Imperial College disertační práce.
  4. ^ Priestley; et al. (2010). „Radiometrický výkon snímačů klimatického záznamu CERES Earth Radiation Budget na sondách EOS Aqua a Terra do dubna 2007“. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 28 (1): 3. Bibcode:2011JAtOT..28 .... 3P. doi:10.1175 / 2010JTECHA1521.1.
  5. ^ Parfitt; et al. (2016). „Studie časového vývoje krátkovlnné kalibrace GERB ve srovnání s daty CERES Edition-3A“. Dálkový průzkum prostředí. 186: 416–427. Bibcode:2016RSEnv.186..416P. doi:10.1016 / j.rse.2016.09.005.

externí odkazy