Введение
Измерения атмосферной, наземной или морской температуры с помощью спутников. Спутниковые измерения температуры – это оценки температуры атмосферы на различных высотах, а также температуры поверхности моря и суши, полученные на основе радиометрических измерений, проводимых спутниками. Эти измерения могут использоваться для определения местоположения погодных фронтов, мониторинга явления «Южное колебание Эль-Ниньо», определения интенсивности тропических циклонов, изучения городских тепловых островов и мониторинга глобального климата. Лесные пожары, вулканы и промышленные источники тепла также могут быть обнаружены с помощью тепловизионной съемки со спутников метеорологического наблюдения. Спутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют излучение в различных диапазонах длин волн. С 1978 года микроволновые зонды (МЗУ) на полярно-орбитальных спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований измеряют интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислорода, что связано с температурой обширных вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасного излучения, относящиеся к температуре поверхности моря, собираются с 1967 года. Спутниковые данные показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера нагрелась, а стратосфера остыла. Обе эти тенденции соответствуют влиянию увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере.
Принципы
Спутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют излучение в различных диапазонах длин волн, которое затем математически преобразуется для получения косвенных оценок температуры. Получаемые температурные профили зависят от особенностей методов, используемых для вычисления температуры по излучению. В результате, различные группы, анализирующие спутниковые данные, создали различные наборы данных о температуре. Спутниковый ряд наблюдений не является однородным. Он составлен из серии спутников с похожими, но не идентичными сенсорами. Сенсоры также деградируют со временем, и необходима коррекция на дрейф и изменение орбиты. Особенно значительные расхождения между восстановленными температурными рядами возникают в редких случаях, когда временное перекрытие между последовательными спутниками минимально, что затрудняет интеркалибрацию.
Измерения поверхности
Инфракрасное излучение может использоваться для измерения как температуры поверхности (используя "оконные" длины волн, для которых атмосфера прозрачна), так и температуры атмосферы (используя длины волн, для которых атмосфера непрозрачна, или измеряя температуру верхней границы облаков в инфракрасных окнах). Спутники, используемые для определения температуры поверхности посредством измерения тепловой инфракрасной радиации, как правило, требуют безоблачных условий. К таким инструментам относятся радиометр с очень высоким разрешением (AVHRR), радиометры сканирования вдоль траектории (AASTR), комплекс визуально-инфракрасных изображений (VIIRS), атмосферный инфракрасный зонд (AIRS) и спектрометр преобразования Фурье ACE (ACE-FTS) на канадском спутнике SCISAT 1. С 1982 года спутники все чаще используются для измерения температуры поверхности моря (SST) и позволяют более полно изучать ее пространственные и временные изменения. Например, изменения SST, отслеживаемые со спутников, использовались для документирования развития явления Эль-Ниньо – Южной осцилляции с 1970-х годов. На суше определение температуры по излучению затруднено из-за неоднородности поверхности. Исследования эффекта городского теплового острова проводились с использованием спутниковых изображений. Используя фрактальный метод, Weng, Q. и др. охарактеризовали пространственную структуру городского теплового острова. Использование передовых инфракрасных спутниковых изображений с очень высоким разрешением, при отсутствии облачности, может быть использовано для обнаружения разрывов в плотности (погодных фронтов), таких как холодные фронты у земной поверхности. С помощью методики Дворака инфракрасные спутниковые изображения могут быть использованы для определения разницы температур между глазом и температурой верхней части облаков центральной плотной облачности зрелых тропических циклонов, чтобы оценить их максимальную устойчивую скорость ветра и минимальное центральное давление. Радиометры сканирования вдоль траектории на борту метеорологических спутников способны обнаруживать лесные пожары, которые ночью проявляются в виде пикселей с более высокой температурой. Спектрорадиометр изображений умеренного разрешения на борту спутника Terra может обнаруживать тепловые точки, связанные с лесными пожарами, вулканами и промышленными источниками тепла. Атмосферный инфракрасный зонд на спутнике Aqua, запущенном в 2002 году, использует инфракрасное обнаружение для измерения температуры у поверхности земли.
Измерения микроволнового зондирующего устройства (MSU)
С 1979 по 2005 годы микроволновые зондирующие устройства (MSU) и с 1998 года усовершенствованные микроволновые зондирующие устройства на полярно-орбитальных метеорологических спутниках NOAA измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислорода. Интенсивность пропорциональна температуре протяженных вертикальных слоев атмосферы. Восходящее излучение измеряется на различных частотах; эти различные частотные диапазоны охватывают разные взвешенные по высоте слои атмосферы. На рисунке 3 (справа) показаны атмосферные уровни, определяемые по различным реконструкциям длин волн на основе спутниковых измерений, где TLS, TTS и TTT обозначают три различные длины волн.
Другие микроволновые измерения
Другой метод используется космическим аппаратом "Aura" и его прибором "Микроволновый лимбовый зонд", который измеряет микроволновое излучение горизонтально, а не в направлении надир. Измерения температуры также проводятся с помощью радиооккультации GPS. Эта техника измеряет преломление радиоволн, передаваемых спутниками GPS при распространении в атмосфере Земли, что позволяет определять вертикальные профили температуры и влажности.
Измерения температуры на других планетах
Планетарные научные миссии также проводят измерения температуры на других планетах и спутниках Солнечной системы, используя как инфракрасные методы (характерные для орбитальных и пролетных миссий к планетам с твердой поверхностью), так и микроволновые методы (которые чаще применяются для планет, имеющих атмосферу). К инструментам для измерения инфракрасной температуры, используемым в планетарных миссиях, относятся измерения температуры поверхности, выполненные прибором теплового эмиссионного спектрометра (TES) на аппарате Mars Global Surveyor и прибором Diviner на Lunar Reconnaissance Orbiter, а также измерения температуры атмосферы, выполненные композитным инфракрасным спектрометром на космическом аппарате NASA Cassini. К микроволновым приборам для измерения температуры атмосферы относится микроволновый радиометр на миссии Juno к Юпитеру.