Введение

Геостационарный бюджет радиации Земли (GERB) – это прибор, установленный на борту геостационарных спутников Meteosat второго поколения EUMETSAT, предназначенный для точных измерений радиационного бюджета Земли. Он был разработан европейским консорциумом, состоящим из Великобритании, Бельгии и Италии. Первый, известный как GERB 2, был запущен 28 августа 2002 года ракетой Ariane 5. Второй, GERB 1, был запущен 21 декабря 2005 года, а третий, GERB3, – 5 июля 2012 года. Последний прибор, GERB 4, был запущен 14 июля 2015 года. Первый запущенный GERB 2 на спутнике MSG 1 в настоящее время находится над Индийским океаном в точке 41,5° в.д., в то время как GERB 1 и 3 на спутниках MSG 2 и 3 по-прежнему расположены над стандартной африканской позицией EUMETSAT. GERB 4 на MSG еще не введен в эксплуатацию.

Научные мотивы и цели

Беспрецедентный темп увеличения концентрации в атмосфере, наблюдаемый с начала промышленной революции из-за деятельности человека, вызывает серьезную обеспокоенность ученых, поскольку он на порядок превышает любые изменения, которые когда-либо испытывала планета Земля. Климатические модели, известные как глобальные циркуляционные модели (GCM), в настоящее время используются для изучения и прогнозирования того, как климат Земли изменится в ответ на столь беспрецедентную скорость изменений. Эти компьютерные модели в значительной степени согласуются во многих прогнозах относительно того, как климат будет "вынужден" в новое состояние под воздействием этих изменений, однако сохраняется значительное количество разногласий, особенно в отношении того, как это вынуждение приведет к возникновению "обратных связей" в системе. Например, увеличение концентрации приведет к усилению парникового эффекта, что вызовет потепление атмосферы и более интенсивное таяние арктических льдов. Однако известно, что более теплая атмосфера может содержать большее количество водяного пара при той же относительной влажности, а таяние высокоотражающего белого арктического льда приведет к тому, что открытый океан будет подвергаться воздействию солнечного света. Поскольку водяной пар сам по себе является мощным парниковым газом, а темный Северный Ледовитый океан поглощает больше солнечного света, чем отражающий плавучий лед, оба этих фактора общепризнанно являются положительными обратными связями, которые будут ускорять глобальное потепление. Вероятно, наименее изученным аспектом изменения климата являются облака и то, как они могут измениться в ответ на прямое потепление атмосферы из-за увеличения концентрации. Эти эффекты, в совокупности известные как облачный эффект или облачное радиационное воздействие (CRF) и обратная связь, пока недостаточно изучены, чтобы с уверенностью предсказать, будут ли их возможные обратные связи в целом положительными, ускоряющими потепление, или отрицательными, замедляющими его. Действия земной погодной/климатической системы по сути представляют собой работу глобального теплового двигателя, в котором тепло поступает от всей поглощенной солнечной энергии, а тепло отводится в виде теплового инфракрасного излучения обратно в космос. Эти два потока излучения называются коротковолновым (SW, для солнечной энергии) и длинноволновым (LW, для ИК-излучения) компонентами в так называемом "Земном радиационном бюджете" (ERB, естественно, для определения теплового баланса необходимо измерять отраженное SW и вычитать его из входящего солнечного потока). Следовательно, облака оказывают огромное влияние на ERB из-за их высокой отражательной способности к солнечному SW-излучению и их сильного поглощения исходящего теплового LW-излучения. Глобальные потоки ERB можно измерять только с орбиты, и такие измерения проводятся с 1970-х годов в рамках миссий, реализуемых США и Европой, наиболее широко – с 1998 года приборами NASA Clouds и Earth's Radiant Energy System (CERES) на низкой околоземной орбите. Однако такие орбитальные платформы в большинстве случаев наблюдают каждую точку Земли лишь дважды в день, в то время как образование облаков и модуляция ERB происходят в масштабе минут (см. рис. 1). Таким образом, хотя такие низкоорбитальные измерения жизненно важны для отслеживания глобальных изменений в ERB, они не могут быть непосредственно использованы для проверки компьютерных симуляций изменений в конвективном образовании и рассеивании облаков в ответ на неизбежное потепление поверхности из-за увеличения концентрации и т.д. Для устранения этого недостатка в системе наблюдения за Землей европейский консорциум, объединяющий Великобританию, Бельгию и Италию, приступил к проекту Geo stationary Earth Radiation Budget (GERB) с целью размещения высокоточного радиометра ERB на борту геостационарных платформ Meteosat Second Generation (MSG).

Устройство GERB и калибровка

Проект GERB возглавляется Космической и Атмосферной группой (SPAT) при Имперском колледже Великобритании, под руководством профессора Джона Э. Харриса, который изначально был главным исследователем, а в настоящее время его сменила доктор Хелен Бриндли. Сами приборы были изготовлены в Лаборатории Разерфорда-Эпплтона с использованием итальянского трехзеркального серебряного телескопа и электроники, разработанной Центром космических наук Университета Лестера в Великобритании. Каждое из четырех завершенных устройств GERB прошло обширную наземную радиометрическую калибровку в Вакуумной калибровочной камере (ВКК) в Центре наблюдения за Землей и ее характеристик (EOCF), также расположенном в Имперском колледже и разработанном Рэем Ригли. Эти тесты включали подтверждение линейности, определение радиометрического коэффициента усиления для длинноволнового диапазона (LW) с использованием теплых и холодных черных тел (WBB и CBB), определение коэффициента усиления для коротковолнового диапазона (SW) с использованием лампы видимого источника калибровки (VISCS), а также выборочную проверку спектральной характеристики системы. Каждое устройство GERB использует линейный массив почерневших термопильных детекторов производства Honeywell, которые сканируют Землю при каждом обороте платформы MSG со скоростью 100 об/мин, используя зеркало десканирования (DSM). Таким образом, на каждом обороте снимается столбец земного диска, что позволяет получить 250x256 образцов полного канала, за которыми следуют 250x256 образцов SW с установленным кварцевым фильтром каждые 5 минут (то есть относительная фаза DSM к вращению MSG незначительно смещается при каждом обороте, см. рис. 4 в правом нижнем углу). При каждом обороте детекторы также видят внутреннее черное тело (IBB) и калибровочный монитор (CalMon), что обеспечивает непрерывную корректировку изменений коэффициентов усиления LW и SW. Размещение прибора на периферии 3-метровой вращающейся платформы MSG потребовало тщательной конструкции устройства GERB, способного выдерживать постоянную центробежную силу в 16g, возникающую при вращении DSM. Каждые 15 минут, после получения 3 полных массивов Total и SW размером 250x256, представляющих диск Земли, синтетический результат для LW получается как средняя разница между ними. Эти результаты ERB затем объединяются с повышением разрешения и извлечением информации об облаках с использованием Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI), также установленного на платформе MSG. Комбинация GERB и SEVIRI посредством синергии данных также потребовала детального картирования поля зрения или функции рассеяния точки (PSF, см. Matthews (2004)) для каждого из 256 детекторов/телескопов GERB. Это было выполнено с использованием He-Ne лазера с компьютерным управлением для картирования характеристик каждого из 256 термопилов после нанесения золотого почернения. Полную информацию о наземной калибровке GERB можно найти в работе Matthews (2003). Спектральная характеристика или мера относительного поглощения света на разных длинах волн для каждого детектора GERB необходима для процесса удаления фильтрации из необработанного сигнала каждого термопиля. Для этого используются модели радиационного переноса для оценки спектральной формы излучения конкретной сцены и определения коэффициента удаления фильтрации, или фактора, необходимого для учета неравномерной спектральной характеристики. Для каждого устройства GERB это основано на умножении лабораторных измерений на уровне единицы для детектора, телескопа, DSM и спектральной пропускной способности/поглощения кварцевого фильтра. Точность результатов GERB в коротковолновом диапазоне (SW) напрямую зависит от качества этих измерений, поскольку коэффициент усиления SW определяется с использованием лампы VISCS, спектр которой значительно смещен в сторону больших длин волн по сравнению со спектром Солнца. В настоящее время такая точность GERB оценивается примерно в 2% согласно данным, представленным в источнике. Удаление фильтрации выполняется Королевским метеорологическим институтом Бельгии (RMIB), а также синергия с данными SEVIRI и преобразование из излучения в освещенность с использованием моделей угловой зависимости (ADM).

ГЕРБ калибровка в полете

Как показано на рисунке 4, при каждом из 100 оборотов в минуту каждый детектор GERB выполняет сканирование как внутреннего черного тела (IBB), так и солнечного диффузора CalMon. Коэффициент усиления в отсчетах на ватт и смещения каждого термоэлементного пикселя регулярно обновляются на основе известной температуры IBB и разницы между его сигналом и сигналом, полученным с направлением на Землю (Earthview). Изначально планировалось использовать алюминиевый солнечный диффузор CalMon для отслеживания изменений пропускной способности устройства GERB для солнечных фотонов (см. уравнения). Однако, интегральная природа CalMon означает, что солнечные фотоны, вероятно, претерпели множество отражений от алюминия на пути к телескопу GERB, что, скорее всего, значительно уменьшило энергию в области спада отражательной способности алюминия при 830 нм на неизвестную величину. Возможные альтернативные способы отслеживания изменений в солнечной чувствительности устройства GERB включают сравнение с другими устройствами ERB, такими как предлагаемый прибор NASA CLARREO, или, возможно, с другими широкополосными приборами при условии последующей валидации их калибровки. Другой вариант – использование наблюдений Луны, как это делалось в проекте SeaWIFS, для обеспечения стабильности результатов наблюдений Земли (см. рисунок 5).

Данные GERB

Данные GERB доступны для скачивания на сайте GGSPS лаборатории Ратфорд-Апплтон по ссылке ниже, как показано в анимации на рис. 6, демонстрирующей отраженный коротковолновый (слева) и исходящий длинноволновый (справа) излучение от полной поверхности Земли. Эта анимация отображает 24-часовые потоки коротковолнового и длинноволнового излучения GERB, что позволит климатологам проверить, насколько точно глобальные климатические модели (GCM) воспроизводят процессы образования и рассеивания облаков, а также их влияние на энергетический баланс Земли (ERB).

Синергия GERB-SEVIRI

Поскольку потоки ERB, получаемые с приборов CERES, сопоставляются с данными о облаках, полученными с помощью сенсора MODIS, изначально планировалось связать измерения GERB в коротковолновом и длинноволновом диапазонах с результатами основного прибора Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager (SEVIRI) на платформах MSG. Помимо данных о облаках и аэрозолях, полученных с помощью прибора SEVIRI с узкой полосой пропускания, данные сенсора с высоким пространственным разрешением комбинируются с точностью GERB для повышения разрешения климатически значимых потоков, что позволяет более точно оценивать моделирование климатическими моделями процессов образования и рассеивания облаков, а также понимать, как эти процессы могут ускорять или замедлять изменение климата. Радиации SEVIRI также используются в процессе удаления фильтрации GERB для оценки спектральной характеристики наблюдаемой сцены.

Доступ к данным

В дополнение к сайту загрузки Rutherford GGSPS, создается новый центр доступа в Центре анализа данных об окружающей среде (CEDA), который также указан в приведенных ниже URL-адресах и обеспечит доступ к файлам GERB.