Кіріспе

Геостационарлық Жер радиациялық бюджеті (GERB) – EUMETSAT-тың Meteosat екінші буындағы геостационарлық спутниктерінде орналасқан және Жердің радиациялық бюджетін дәл өлшеуге арналған құрал. Ол Ұлыбритания, Бельгия және Италиядан құралған еуропалық консорциуммен жасалған. Алғашқысы, GERB 2 деп аталды, 2002 жылдың 28 тамызында Ariane 5 зымыратымен ұшырылды. Екіншісі – GERB 1 2005 жылдың 21 желтоқсанында, ал үшіншісі – GERB 3 2012 жылдың 5 шілдесінде іске қосылды. Соңғы GERB 4 құрылғысы 2015 жылдың 14 шілдесінде ұшырылды. MSG 1 спутнигіндегі алғашқы ұшырылған GERB 2 қазір Үнді мұхитының үстінде 41,5°E координатасында орналасқан, ал MSG 2 және 3 спутниктеріндегі GERB 1 және 3 әлі де стандартты Африка EUMETSAT позициясында орналасқан. GERB 4 MSG құрылғысы әлі жұмыс істеуге дайын емес.

Ғылыми мотивациялар мен мақсаттар

Адамның қызметінен туындаған өнеркәсіптік революциядан бері атмосферадағы күрт өсім ғалымдарды алаңдатып отыр, себебі бұл Жер планетасының тарихында ешқашан тіркелмеген жылдамдықпен жүзеге асуда. Жаһандық айналым үлгілері (GCM) деп аталатын климаттық модельдер қазіргі таңда зерттеулер жүргізуге және Жер климатының мұндай еңсерілмейтін өзгеріс қарқынына жауап ретінде қалай өзгеретінін болжауға мүмкіндік береді. Мұндай компьютерлік модельдер климаттың осындай өзгерістердің әсерінен басқа жағдайға қалай "мәжбүрленетіні" туралы көптеген болжамдарда келіседі, бірақ әлі де маңызды келіспеушіліктер бар, әсіресе мұндай мәжбүрлеудің жүйеге қандай "кері байланыстар" тудыратыны белгісіз. Мысалы, көмірқышқыл газының мөлшерінің артуы парниктік эффектіні күшейтеді, нәтижесінде атмосфера жылынады және Арктика мұзы ерімекке келеді. Алайда, жылы атмосфераның бірдей салыстырмалы ылғалдылықта көбірек су буын ұстай алатыны және Арктикадағы жоғары шағылыстыратын ақ мұздың еруі ашық мұхитты күн сәулесіне ұшырататыны мәлім. Су буы өте күшті парниктік газ болғандықтан және қараңғы Арктика мұхиты жоғары шағылыстыратын мұздан гөрі көбірек күн сәулесін сіңіреді, бұл екеуі де оң кері байланыс ретінде қарастырылады, бұл жаһандық жылыну қарқынын жеделдетуге ықпал етеді. Климаттың өзгеруінің ең аз зерттелген аспектісі – бұлттар және олардың атмосфераның тікелей жылынуына жауап ретінде қалай өзгеруі мүмкін. Бұл әсерлердің жиынтығы бұлтты мәжбүрлеу немесе бұлтты радиациялық мәжбүрлеу (CRF) және кері байланыс деп аталады. Олардың болашақ кері байланыстарының оң болып, жылдамдатуға немесе теріс болып, жаһандық жылынуды баяулатуға бағытталғандығы әлі нақты белгілі емес. Жердің ауа райы және климат жүйесінің әрекеті негізінен жаһандық масштабтағы жылу машинасының жұмысына негізделген, ондағы жылу барлық сіңірілген күн энергиясынан, ал шығарылатын жылу – ғарышқа инфрақызыл сәулелердің таралуынан түседі. Бұл екі сәулелену ағыны Жердің сәулелену бюджеті (ERB) деп аталатын қысқа толқынды (SW, күн үшін) және ұзақ толқынды (LW, инфрақызыл үшін) компоненттер ретінде қарастырылады. Сондықтан бұлттар ERB-ге үлкен әсер етеді, өйткені олардың жоғары күн сәулесін шағылыстыру қабілеті және шығарылатын жылулық сәулені сіңіру қабілеті жоғары. ERB ағыстарын орбитадан ғана өлшеуге болады және 1970 жылдан бері АҚШ және Еуропаның ғарыш миссиялары арқылы жинақталып келеді, ең толық деректер 1998 жылдан бері NASA Clouds және Жердің сәулелі энергия жүйесі (CERES) құралдарымен Жердің төменгі орбитасында алынуда. Алайда, мұндай орбиталық платформалар Жердің әрбір нүктесін күніне екі рет қана көреді, ал бұлттардың түзілуі мен ERB-нің өзгеруі минуттар ішінде жүзеге асады (1-суретті қараңыз). Сондықтан, ERB-дегі жаһандық өзгерістерді қадағалау үшін маңызды болса да, мұндай төмен орбиталық өлшемдер конвективті бұлттардың түзілуі мен таралуының компьютерлік симуляцияларын тікелей тексеру үшін қолданыла алмайды. Жерді бақылау жүйесіндегі осы кемшілікті жою мақсатымен Ұлыбритания, Бельгия және Италиядан құралған еуропалық консорциум Геостационарлық Жер сәулелену бюджеті (GERB) жобасын бастады, мақсаты – жоғары дәлдікті ERB радиометрін Meteosat екінші буыны (MSG) спиральді тұрақтандырылған платформасына орнату.

GERB құрылғысы және калибрлеу

GERB жобасын Ұлыбританиядағы Император колледжінде орналасқан Ғарыш және атмосфералық топ (SPAT) басқарады, ал бастапқы басқарушы профессор Джон Е. Харрис болса, қазір доктор Хелен Бриндли оның орнын басты. Құрылғылардың өзі Резерфорд Апплтон зертханасымен Италияның 3 айналы күміс телескопы және Ұлыбританияның Лестер университетінің Ғарыш ғылым орталығы жасаған электроника қолданылып құрастырылды. Төрт аяқталған GERB құрылғысының әрқайсысы Рей Ригли жобалаған Жерді бақылау және сипаттау қондырғысында (EOCF) вакуумдық калибрлеу камерасында (VCC) кең ауқымды жер радиометриялық калибрлеуден өтті. Бұл сынақтар сызықтылықты растауды, жылу және суық қара денелерді (WBB және CBB) пайдалану арқылы төменгі радиометрлік күшейімді анықтауды, көрінетін калибрлеу көзі (VISCS) шамдарын пайдалану арқылы төменгі радиометрлік күшейімді анықтауды және жүйе деңгейіндегі спектрлік жауапты тексеруді қамтыды. Әрбір GERB құрылғысы Honeywell компаниясы өндірген қараланған термопиль детекторларының сызықтық массивін пайдаланады, олар De Scan Mirror (DSM) арқылы MSG платформасының әр 100 айналымында Жерге қарап тұрады. Сондықтан әрбір айналымда Жер дискісінің бағаны алынады, бұл 250x256 жалпы арна үлгілерін, содан кейін 250x256 SW үлгілерін кварц сүзгісімен 5 минут сайын (яғни DSM-нің MSG айналымына қатысты фазасы әр айналымда сәл өзгеріп отырады, Fig.4 төменгі оң жағын қараңыз) қамтиды. Әрбір айналымда детекторлар ішкі қара дене (IBB) мен калибрлеу мониторын (CalMon) көреді, бұл LW және SW күшейімдерін үздіксіз жаңартуға мүмкіндік береді. Оның 3 метрлік MSG айналмалы платформасының шетінде орналасуы GERB құрылғысының DSM айналғанда 16g тұрақты центробегтік күшке төтеп беруге қабілетті болуын талап етті. Жер дискісінің 3 толық Тотал және SW 250x256 массиві алынғаннан кейін әр 15 минут сайын синтетикалық LW нәтижесі екі арасындағы орташа айырмадан есептеледі. Мұндай ERB нәтижелері MSG платформасындағы Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) арқылы ажыратымдылықты жақсарту және бұлттарды іздеу үшін біріктіріледі. GERB және SEVIRI деректерінің синергиясы 256 GERB детекторының/телескоптың әрқайсысының көру өрісін немесе нүктелік таралу функциясын (PSF, Matthews (2004) қараңыз) егжей-тегжейлі картаға түсіруді қажет етеді. Бұл алтынмен қапталған 256 термопильдің әрқайсысының жауабын картаға түсіру үшін He Ne лазерлік компьютері арқылы жасалды. GERB топырақты калибрлеудің толық мәліметтерін Matthews (2003) еңбегінен алуға болады. Әрбір термопильдің бастапқы сигналын сүзгіден шығару үшін әрбір GERB детекторының әртүрлі толқын ұзындығындағы спектрлік жауабын немесе салыстырмалы сіңіруін өлшеу қажет. Бұл сәулеленуді беру модельдерін пайдалану арқылы белгілі бір көріністің сәулеленуінің спектрлік пішінін бағалауға және сүзгіден шығару қатынамын немесе біркелкі емес спектрлік жауапты есепке алу үшін қажетті факторды анықтауға мүмкіндік береді. Әрбір GERB құрылғысы үшін бұл детектордың, телескоптың, DSM және кварц сүзгісінің спектрлік өткізу қабілеті/сіңіру қабілетінің зертханалық өлшеулерінің көбеюіне негізделген. GERB SW нәтижелерінің дәлдігі осындай өлшеулердің сапасына тікелей байланысты, өйткені SW күшейімі VISCS шамдарын пайдалану арқылы анықталады, оның спектрі Күн спектріне қарағанда ұзын толқын ұзындығына қарай ықпалды түрде ығысқан. GERB дәлдігі қазіргі уақытта 2% деңгейінде деп бағаланады. Мұндай сүзгіден шығаруды Бельгияның Корольдік метеорологиялық институты (RMIB) жүргізеді, сонымен қатар SEVIRI деректерімен синергияны және бұрыштық тәуелділік модельдерін (ADM) пайдалана отырып, сәулеленуден сәулеленуге түрлендіруді жүзеге асырады.

GERB ұшу кезінде калибрлеу

4-суретте көрсетілгендей, минутына 100 айналым сайын әрбір GERB детекторы ішкі қара дене (IBB) және CalMon күн диффузорынан сканерлеу деректерін алады. Әрбір термопиль пикселінің Ваттқа шаққандағы сезімталдығы мен қатесі IBB-ның белгілі температурасы және оның сигналының Жерге қарау деректерінен (Earthview) айырмашылығы негізінде үнемі жаңартылады. Алғашқы мақсат – алюминийден жасалған CalMon күн диффузоры арқылы күн фотондарының GERB құрылғысы арқылы өту қабілетіндегі өзгерістерді қадағалау болған (теңдеулерді қараңыз). Сонымен қатар, CalMon интеграциялық сфера болып табылатындықтан, күн фотондары GERB телескопына жеткенше алюминий бетінен көп рет шағылысып, алюминийдің 830 нм толқын ұзындығындағы шағылысу қабілетінің төмендеуінен энергияның белгісіз мөлшерде жоғалуына әкелуі мүмкін. GERB құрылғысының күнге реакциясындағы өзгерістерді қадағалаудың басқа мүмкін жолдары – NASA CLARREO құралы сияқты басқа ERB құрылғыларымен салыстыру немесе кейіннен калибровкасы расталатын басқа кең жолақты құрылғыларды пайдалану. Жердегі нәтижелердің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін SeaWIFS жобасында қолданылған Айға қарау деректерін пайдалану да мүмкін (5-суретті қараңыз).

GERB деректері

GERB деректері Rutherford Appleton Laboratory GGSPS жүктеу сайтынан төмендегідей қолжетімді. 6-суретте көрсетілген анимацияда Жер дискісінен шағылысқан қысқа толқынды сәулеленудің (сол жақта) және шығарылған ұзақ толқынды сәулеленудің (оң жақта) толық суреті көрсетілген. Бұл анимация 24 сағат ішіндегі GERB қысқа және ұзақ толқынды сәулелену ағындарын көрсетеді, бұл климат ғалымдарына жалпы циркуляциялық модельдердің (GCM) бұлттардың қалыптасуы мен таралуын және олардың энергия теңгеріміне (ERB) тигізетін әсерін тексеруге мүмкіндік береді.

GERB-SEVIRI синергиясы

CERES аспаптарынан ERB ағындары MODIS бейнелеуішіндегі бұлттарды анықтау деректерімен жұптасқандықтан, GERB SW және LW өлшемдерін MSG платформаларындағы Spinning Enhanced Visible және Infra Red Imager (SEVIRI) негізгі құрылғысының нәтижелерімен байланыстыру жоспарланған болатын. SEVIRI аспабының тар жолақты бұлттар/аэрозольдерді анықтау деректерінен өзге, жоғары кеңістіктік ажыратымдылыққа ие бейнелеу деректері GERB-тің дәлдігімен біріктіріліп, климаттық модельдеуде бұлттардың пайда болуы/жоғалуын жақсы бағалау үшін климаттық процестерге ықпал ететін ағындардың ажыратымдылығын арттыруға, сондай-ақ олар климаттың өзгеруін қалай жеделдету немесе баяулату мүмкін екенін анықтауға мүмкіндік береді. SEVIRI сәулеленуі GERB сүзгісіздендіру процесінде де қолданылады, бұл қарастырылып отырған көріністің спектрлік құрамын бағалауға көмектеседі.

Деректерге қол жеткізу

Ратерфорд GGSPS жүктеу сайтынан өзге, GERB файлдарына қол жеткізуге жаңа мүмкіндік беретін кіру орталығы Экологиялық деректерді талдау орталығында (CEDA) құрылып жатыр, ол төмендегі URL-дарда тізімделген.