Введение
Приборы для сбора климатических данных со спутников НАСА
Система "Облака и излучаемая энергия Земли" (CERES) – это продолжающийся климатологический эксперимент НАСА, проводимый с орбиты Земли. CERES – это научные спутниковые приборы, являющиеся частью системы НАСА по наблюдению за Землей (EOS), предназначенные для измерения как солнечного отражения, так и излучения Земли в верхних слоях атмосферы (TOA) и на поверхности Земли. Свойства облаков определяются на основе одновременных измерений, полученных другими приборами EOS, такими как спектрорадиометр умеренного разрешения (MODIS). Результаты, полученные в ходе работы CERES и других миссий НАСА, таких как Эксперимент по радиационному бюджету Земли (ERBE), могут обеспечить отслеживание энергетического дисбаланса Земли (EEI) в режиме, близком к реальному времени, и лучшее понимание роли облаков в глобальном изменении климата.
Первый запуск
Первый инструмент CERES Proto Flight Module (PFM) был запущен на борту миссии NASA Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) в ноябре 1997 года из Японии. Однако этот прибор перестал функционировать через 8 месяцев из-за отказа бортовой схемы.
CERES на спутниках миссии EOS и JPSS
Еще шесть приборов CERES были запущены на борту системы наблюдения Земли и Объединенной полярной спутниковой системы. Спутник Terra, запущенный в декабре 1999 года, нес два прибора (Полетный модуль 1 (FM1) и FM2), а спутник Aqua, запущенный в мае 2002 года, – еще два (FM3 и FM4). Пятый прибор (FM5) был запущен на спутнике Suomi NPP в октябре 2011 года, а шестой (FM6) – на NOAA 20 в ноябре 2017 года. В связи с выходом из строя PFM на TRMM и потерей SW-канала FM4 на Aqua в 2005 году, по состоянию на 2017 год полностью работоспособны пять из шести полетных модулей CERES.
Инструменты радиационного бюджета
Измерения, проводимые приборами CERES, должны были быть расширены прибором радиационного бюджета (RBI), который планируется запустить на борту спутниковой системы Joint Polar Satellite System 2 (JPSS 2) в 2021 году, JPSS 3 в 2026 году и JPSS 4 в 2031 году.
Либера
НАСА объявило в феврале 2020 года о выборе прибора Libera для запуска на спутнике JPSS 3 к концу 2027 года. Планируется, что Libera обеспечит преемственность данных и расширенные возможности. LASP является основным разработчиком прибора.
Режимы работы
CERES работает в трех режимах сканирования: поперек спутниковой наземной трассы (крестообразное сканирование), вдоль направления спутниковой наземной трассы (сканирование по трассе) и в ротационном азимутальном плане (RAP). В режиме RAP радиометры сканируют по углу места, вращаясь в азимуте, что позволяет получать измерения излучения с широкого диапазона углов обзора. До февраля 2005 года на спутниках Terra и Aqua один из приборов CERES сканировал поперек трассы, а другой – в режиме RAP или сканирования по трассе. Прибор, работающий в режиме RAP, собирал данные сканирования по трассе в течение двух дней каждый месяц. Однако многоугловые данные CERES позволили разработать новые модели, учитывающие анизотропию наблюдаемой сцены и обеспечивающие получение потока излучения на верхней границе атмосферы (TOA) с повышенной точностью. Все приборы CERES находятся на солнечно-синхронной орбите. Для обеспечения суточного представления радиационного бюджета и учета изменений облачности между моментами наблюдений CERES, в "сбалансированных и заполненных" продуктах данных также используются сопоставимые геостационарные данные в диапазоне от 60° ю. ш. до 60° с. ш.
Методы калибровки
Инструменты CERES были разработаны для обеспечения повышенной стабильности и точности измерений, однако, как было известно, достижение и поддержание абсолютной точности с течением времени оставалось непрерывной задачей. В результате, важным ограничением в продуктах данных CERES стала привязка EEI к значению, соответствующему данным ARGO за несколько лет, основываясь исключительно на контрольных образцах (см. слайд 9 в Priestley et al. (2014)). Эти трудности с наземной калибровкой, в сочетании с предполагаемыми случаями загрязнения на земле, приводили к тому, что данные ERB казались хоть сколько-нибудь приемлемыми для климатологии (стоит отметить, что CERES в настоящее время заявляет об абсолютной точности SW в пределах одной сигмы – 0,9%).
Калибровка в полете
Пространственное разрешение CERES при наблюдении на надире (эквивалентный диаметр следа) составляет 10 км для CERES на спутнике TRMM и 20 км для CERES на спутниках Terra и Aqua. Вероятно, для таких миссий, как CERES, более важна стабильность калибровки, то есть способность отслеживать и разделять инструментальные изменения от данных о Земле, чтобы с уверенностью фиксировать реальные изменения климата. Для достижения этой цели в CERES используются бортовые источники калибровки для каналов измерения отраженного солнечного света, включая солнечные диффузоры и вольфрамовые лампы. Однако выходная мощность ламп в важном ультрафиолетовом диапазоне длин волн, где деградация наиболее значительна, очень мала, и в наземных испытаниях зафиксировано дрейфование их энергии более чем на 1,4% без возможности контроля на орбите (Priestley et al. (2001)). Солнечные диффузоры также значительно деградировали на орбите и были признаны непригодными для использования (Priestley et al. (2011)). Для каналов Total и WN используются две черные полости, температура которых может регулироваться, но их стабильность не превышает 0,5% в десятилетие. Наблюдения холодного космоса и внутренняя калибровка проводятся во время обычного сканирования Земли.
Межкалибровка
Данные сравниваются между приборами CERES на различных спутниках-носителях, а также с данными сканирования от сопутствующих спектрорадиометров (например, MODIS на Aqua). Планируемая миссия CLARREO Pathfinder направлена на создание современного эталонного стандарта для ряда существующих инструментов EOS, включая CERES. Параллельные исследования, измеряющие поглощение тепла Мировым океаном, таяние льдов и повышение уровня моря с использованием комбинации космической альтиметрии и гравиметрии, показали схожие результаты.