Спутниктік температуралық өлшемдер және климаттық өзгерістер
Satellite temperature measurement
Спутниковые измерения температурасы: атмосфера, құрлық және теңіз беттерінің температурасын қадағалау. Ауа райы, климат, өрттерді анықтауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Атмосфералық, жер бетіндегі немесе теңіз температурасын спутниктер арқылы өлшеу. Спутниктік температура өлшемдері – әртүрлі биіктіктегі атмосфера температурасының, сондай-ақ спутниктердің радиометриялық өлшеулерінен алынған теңіз және жер беті температурасының шамамен есептелген мәндері. Бұл өлшемдер ауа райы фронттарын анықтау, Эль-Ниньоның Оңтүстік осцилляциясын бақылау, тропикалық циклонның күшін анықтау, қалалық жылу аралдарын зерттеу және жаһандық климатты мониторингтеу үшін қолданылуы мүмкін. Орман өрттері, жанартаулар және өнеркәсіптік ыстық нүктелерді де ауа райы спутниктерінен алынған жылулық суреттер арқылы табуға болады. Ауа райы спутниктері температураны тікелей өлшемейді. Олар әртүрлі толқын ұзындығы диапазондарындағы сәулеленуді өлшейді. 1978 жылдан бері Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқару ұйымының полярлық орбитадағы спутниктеріндегі микротолқынды зондтау құрылғылары (МЗҚ) атмосфералық оттегіден шығатын микротолқынды сәулеленудің қарқындылығын өлшейді, бұл атмосфераның кең вертикальды қабаттарының температурасына байланысты. Теңіз беті температурасына қатысты инфрақызыл сәулелену өлшемдері 1967 жылдан бері жинақталып келеді. Спутниктік деректер соңғы 40 жылда тропосфераның жылып, ал стратосфераның суығанын көрсетіп тұр. Бұл екі үрдіс те атмосферадағы парниктік газдардың концентрациясының артуымен сәйкес келеді.
Measurements of atmospheric, land surface or sea temperature by satellites. Satellite temperature measurements are inferences of the temperature of the atmosphere at various altitudes as well as sea and land surface temperatures obtained from radiometric measurements by satellites. These measurements can be used to locate weather fronts, monitor the El Niño Southern Oscillation, determine the strength of tropical cyclones, study urban heat islands and monitor the global climate. Wildfires, volcanos, and industrial hot spots can also be found via thermal imaging from weather satellites. Weather satellites do not measure temperature directly. They measure radiances in various wavelength bands. Since 1978 microwave sounding units (MSUs) on National Oceanic and Atmospheric Administration polar orbiting satellites have measured the intensity of upwelling microwave radiation from atmospheric oxygen, which is related to the temperature of broad vertical layers of the atmosphere. Measurements of infrared radiation pertaining to sea surface temperature have been collected since 1967. Satellite datasets show that over the past four decades the troposphere has warmed and the stratosphere has cooled. Both of these trends are consistent with the influence of increasing atmospheric concentrations of greenhouse gases.
Негізгі қағидалар
Спутниктер температураны тікелей өлшемейді. Олар әртүрлі толқын ұзындығындағы сәулеленуді өлшейді, одан кейін температура туралы жанама қорытындылар алу үшін математикалық түрлендіру жасалуы тиіс. Алынған температура профильдері сәулеленуден температураны алуға қолданылатын әдістердің егжей-тегжейлілігіне байланысты. Осының салдарынан, спутниктік деректерді талдаған әртүрлі топтар әртүрлі температуралық жиынтықтарды жасады. Спутниктік уақыт қатары біртекті емес. Ол ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес сенсорлары бар спутниктер тізбегінен құралған. Сенсорлар уақыт өте келе тозады, сондықтан орбиталық қабыну мен ыдырауды түзету қажет. Жаңадан құрастырылған температуралық қатарлар арасындағы айтарлықтай үлкен айырмашылықтар көбінесе екі спутник арасында уақытша үйлесім аз болатын кезде пайда болады, бұл өзара калибрлеуді қиындатады.
Satellites do not measure temperature directly. They measure radiances in various wavelength bands, which must then be mathematically inverted to obtain indirect inferences of temperature. The resulting temperature profiles depend on details of the methods that are used to obtain temperatures from radiances. As a result, different groups that have analyzed the satellite data have produced differing temperature datasets. The satellite time series is not homogeneous. It is constructed from a series of satellites with similar but not identical sensors. The sensors also deteriorate over time, and corrections are necessary for orbital drift and decay. Particularly large differences between reconstructed temperature series occur at the few times when there is little temporal overlap between successive satellites, making intercalibration difficult.
Жер бетін өлшеу
Инфрақызыл сәулелену жер бетінің температурасын (атмосфераның мөлдір болатын "терезе" толқын ұзындығын пайдалана отырып) және атмосфераның температурасын (атмосфераның мөлдір емес толқын ұзындығын пайдалана отырып, немесе инфрақызыл терезелерде бұлттың жоғары температурасын өлшеу арқылы) өлшеуге мүмкіндік береді. Жер бетінің температурасын термиялық инфрақызыл сәулелерді өлшеу арқылы анықтау үшін қолданылатын спутниктерге, әдетте, бұлтсыз жағдай қажет. Мұндай құралдардың кейбіреулері: Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Along Track Scanning Radiometers (AASTR), Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) және ACE Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS), сондай-ақ Канаданың SCISAT 1 спутнигінде орналасқан құралдар. 1982 жылдан бері спутниктер SST өлшеуде кеңінен қолданылып, оның кеңістіктік және уақыт бойынша өзгеруін толыққанды бақылауға мүмкіндік берді. Мысалы, спутниктер арқылы бақыланатын SST өзгерістері 1970 жылдардан бері Эль-Ниньоның оңтүстік осцилляциясының дамуын анықтауға пайдаланылды. Құрлықта сәулеленуден температураны анықтау қиынырақ, себебі жер бетінде біркелкіліктер болады. Спутниктік суреттер арқылы қалалық жылу арал эффектісі зерттелген. Weng, Q. және авторлар фракталдық әдіс қолданып, қалалық жылу аралдың кеңістіктік үлгісін сипаттаған. Бұлт болмаған жағдайда, жоғары ажыратымды инфрақызыл спутниктік суреттерді пайдаланып, тығыздық үзілістерін (ауа райы фронттарын), мысалы, жер бетіндегі суық фронттарды анықтауға болады. Дворак әдісін қолдану арқылы инфрақызыл спутниктік суреттер дамыған тропикалық циклонның орталық тығыз бұлттылығы мен оның көзі арасындағы температура айырмасын анықтауға және олардың максималды тұрақты жел жылдамдығы мен ең төменгі орталық қысымын бағалауға мүмкіндік береді. Ауа райы спутниктеріндегі Along Track Scanning Radiometers өртті анықтай алады, ол түнде жоғары температуралы пиксельдер ретінде көрінеді. Terra спутнигіндегі The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer өрт, жанартау және өнеркәсіптік ошақтармен байланысты жылулық ошақтарды анықтай алады. 2002 жылы ұшырылған Aqua спутнигіндегі Atmospheric Infrared Sounder инфрақызыл сәулеленуді пайдаланып, жер бетіне жақын температураны өлшейді.
Infrared radiation can be used to measure both the temperature of the surface (using "window" wavelengths to which the atmosphere is transparent), and the temperature of the atmosphere (using wavelengths for which the atmosphere is not transparent, or measuring cloud top temperatures in infrared windows). Satellites used to retrieve surface temperatures via measurement of thermal infrared in general require cloud free conditions. Some of the instruments include the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Along Track Scanning Radiometers (AASTR), Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS), and the ACE Fourier Transform Spectrometer (ACE‐FTS) on the Canadian SCISAT 1 satellite. Since 1982, satellites have been increasingly utilized to measure SST and have allowed its spatial and temporal variation to be viewed more fully. For example, changes in SST monitored via satellite have been used to document the progression of the El Niño Southern Oscillation since the 1970s. Over land the retrieval of temperature from radiances is harder, because of inhomogeneities in the surface. Studies have been conducted on the urban heat island effect via satellite imagery. By using the fractal technique, Weng, Q. et al. characterized the spatial pattern of urban heat island. Use of advanced very high resolution infrared satellite imagery can be used, in the absence of cloudiness, to detect density discontinuities (weather fronts) such as cold fronts at ground level. Using the Dvorak technique, infrared satellite imagery can be used to determine the temperature difference between the eye and the cloud top temperature of the central dense overcast of mature tropical cyclones to estimate their maximum sustained winds and their minimum central pressures. Along Track Scanning Radiometers aboard weather satellites are able to detect wildfires, which show up at night as pixels with a greater temperature than The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer aboard the Terra satellite can detect thermal hot spots associated with wildfires, volcanoes, and industrial hot spots. The Atmospheric Infrared Sounder on the Aqua satellite, launched in 2002, uses infrared detection to measure near surface temperature.
Микротолқынды сондау бірлігінің (MSU) өлшеулері
1979 жылдан 2005 жылға дейін NOAA полярлық орбитадағы ауа райы спутниктеріндегі микротолқынды зейіндеу құралдары (MSU) және 1998 жылдан бастап NOAA полярлық орбитадағы ауа райы спутниктеріндегі кеңейтілген микротолқынды зейіндеу құралдары атмосфералық оттегіден шығатын микротолқынды сәулеленудің қарқындылығын өлшеді. Бұл қарқындылық атмосфераның кең тік қабаттарының температурасына пропорционал. Атмосферадан шығатын сәулелену әртүрлі жиіліктерде өлшенеді; осы әртүрлі жиілік диапазондары атмосфераның әртүрлі салмақтық бөліктерін қамтиды. 3-суретте (оң жақта) спутниктік өлшемдерден алынған әртүрлі толқын ұзындығын қайта құру арқылы алынған атмосфера деңгейлері көрсетілген, мұнда TLS, TTS және TTT үш түрлі толқын ұзындығын көрсетеді.
From 1979 to 2005 the microwave sounding units (MSUs) and since 1998 the Advanced Microwave Sounding Units on NOAA polar orbiting weather satellites have measured the intensity of upwelling microwave radiation from atmospheric oxygen. The intensity is proportional to the temperature of broad vertical layers of the atmosphere. Upwelling radiance is measured at different frequencies; these different frequency bands sample a different weighted range of the atmosphere. Figure 3 (right) shows the atmospheric levels sampled by different wavelength reconstructions from the satellite measurements, where TLS, TTS, and TTT represent three different wavelengths.
Басқа микротолқынды өлшеулер
Аура ғарыш кемесінің Микротолқынды шеттік зонды (Microwave Limb Sounder) құралы, температураны жер бетіне қарамастан, көлденең бағытта микротолқынды сәулеленуді өлшейді. Температураны GPS радиожасыру арқылы да өлшеу мүмкін. Бұл әдіс GPS спутниктерінен таратылатын радиотолқындардың Жер атмосферасынан өтетін кезіндегі сынуын өлшеуге негізделген, соның арқасында тік температура және ылғал профильдерін анықтауға болады.
A different technique is used by the Aura spacecraft, the Microwave Limb Sounder, which measure microwave emission horizontally, rather than aiming at the nadir. Temperature measurements are also made by GPS radio occultation. This technique measures the refraction of the radio waves transmitted by GPS satellites as they propagate in the Earth's atmosphere, thus allowing vertical temperature and moisture profiles to be measured.
Басқа планеталардағы температураны өлшеу
Планеталық ғылыми миссиялар күн жүйесінің басқа планеталары мен айларында температураны өлшеуді де жүзеге асырады, инфрақызыл (қатты беті бар планеталардың орбиталық және ұшу миссияларына тән) және микротолқындық техникаларды қолдана отырып. Планеталық миссияларда қолданылатын инфрақызыл температураны өлшеу құралдарына Марс Глобал Зерттеушідегі Термикалық эмиссиялық спектрометр (TES) және Айды барлау орбитасындағы Diviner құралдарымен алынған жер беті температурасының өлшемдері кіреді; ал атмосфера температурасы НАСАның Cassini ғарыш кемесіндегі құрама инфрақызыл спектрометр құралымен өлшенген. Микротолқындық атмосфера температурасын өлшеу құралдарына Юпитерге жасалған Juno миссиясындағы Микротолқындық радиометр жатады.
Planetary science missions also make temperature measurements on other planets and moons of the solar system, using both infrared techniques (typical of orbiter and flyby missions of planets with solid surfaces) and microwave techniques (more often used for planets with atmospheres). Infrared temperature measurement instruments used in planetary missions include surface temperature measurements taken by the Thermal Emission Spectrometer (TES) instrument on Mars Global Surveyor and the Diviner instrument on the Lunar Reconnaissance Orbiter; and atmospheric temperature measurements taken by the composite infrared spectrometer instrument on the NASA Cassini spacecraft. Microwave atmospheric temperature measurement instruments include the Microwave Radiometer on the Juno mission to Jupiter.