Clouds and the Earth's Radiant Energy System ( CERES ) — это продолжающийся климатологический эксперимент NASA с орбиты Земли . [1] [2] CERES — это научные спутниковые приборы, часть Системы наблюдения за Землей NASA (EOS), разработанные для измерения как отраженного солнцем, так и испускаемого Землей излучения от верхних слоев атмосферы ( TOA) до поверхности Земли. Свойства облаков определяются с помощью одновременных измерений другими приборами EOS, такими как спектрорадиометр с умеренным разрешением (MODIS). [3] Результаты CERES и других миссий NASA, таких как Эксперимент по исследованию баланса радиации Земли (ERBE), [4] могут позволить отслеживать энергетический дисбаланс Земли (EEI) ближе к реальному времени и лучше понять роль облаков в глобальном изменении климата . [1] [5][обновлять]
Эксперимент CERES имеет четыре основные цели:
Каждый прибор CERES представляет собой радиометр , имеющий три канала: коротковолновый (SW) канал для измерения отраженного солнечного света в области 0,2–5 мкм , канал для измерения теплового излучения Земли в области «окна» 8–12 мкм или «WN» и общий канал для измерения всего спектра исходящего излучения Земли (>0,2 мкм ). Прибор CERES был основан на успешном эксперименте по измерению баланса излучения Земли , который использовал три спутника для проведения измерений глобального энергетического баланса с 1984 по 1993 год. [6]
Первый прибор 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 работать через 8 месяцев из-за отказа бортовой цепи.
Дополнительные шесть инструментов CERES были запущены в Системе наблюдения за Землей и Объединенной полярной спутниковой системе . Спутник Terra, запущенный в декабре 1999 года, нес два (Полетный модуль 1 (FM1) и FM2), а спутник Aqua, запущенный в мае 2002 года, нес еще два (FM3 и FM4). Пятый инструмент (FM5) был запущен на спутнике Suomi NPP в октябре 2011 года, а шестой (FM6) на NOAA-20 в ноябре 2017 года. После выхода из строя PFM на TRMM и потери в 2005 году канала SW FM4 на Aqua, по состоянию на 2017 год осталось пять полетных модулей CERES. [7] [8]
Измерения приборов CERES должны были быть дополнены прибором Radiation Budget Instrument (RBI), который должен был быть запущен на Joint Polar Satellite System -2 (JPSS-2) в 2021 году, JPSS-3 в 2026 году и JPSS-4 в 2031 году. [8] Проект был отменен 26 января 2018 года; NASA сослалось на технические, финансовые и временные проблемы, а также на влияние ожидаемого роста стоимости RBI на другие программы. [9]
В феврале 2020 года NASA объявило о выборе инструмента Libera для запуска на JPSS-3 к концу 2027 года. [10] Планируется, что Libera обеспечит непрерывность данных и обновленные возможности. LASP является ведущим разработчиком инструмента. [11]
CERES работает в трех режимах сканирования: поперек наземной траектории спутника (cross-track), вдоль направления наземной траектории спутника (along-track) и в вращающейся азимутальной плоскости (RAP). В режиме RAP радиометры сканируют по высоте, вращаясь по азимуту , таким образом получая измерение яркости из широкого диапазона углов обзора. До февраля 2005 года на спутниках Terra и Aqua один из инструментов CERES сканировал в режиме cross-track, а другой был в режиме RAP или в режиме along-track. Инструмент, работающий в режиме сканирования RAP, получал два дня данных along-track каждый месяц. Однако многоугловые данные CERES позволили вывести новые модели, которые учитывают анизотропию наблюдаемой сцены и позволяют извлекать радиационный поток TOA с повышенной точностью. [12]
Все инструменты CERES находятся на солнечно-синхронной орбите . Сопоставимые геостационарные данные между 60°S и 60°N также применяются в «сбалансированных и заполненных» продуктах данных для обеспечения суточного полного представления баланса радиации и учета изменений облачности между моментами наблюдения CERES. [13]
Инструменты CERES были разработаны для обеспечения повышенной стабильности и точности измерений , однако достижение и обеспечение абсолютной точности с течением времени также было известно как постоянная проблема. [14] Несмотря на более продвинутые возможности CERES по мониторингу радиационных потоков TOA Земли в глобальном масштабе и с относительной точностью, единственным практическим способом оценки абсолютной величины EEI (по состоянию на 2020 год) является инвентаризация изменений энергии в климатической системе. [15] Следовательно, важным ограничением в продуктах данных CERES была привязка EEI в один момент времени к значению, которое соответствует нескольким годам данных ARGO . [13]
Для миссии по записи климатических данных (CDR), такой как CERES, точность имеет большое значение и достигается для чисто инфракрасных ночных измерений с использованием наземного лабораторного прослеживаемого черного тела SI для определения общего и WN радиометрического усиления канала. Однако это не относится к солнечным каналам CERES, таким как SW и солнечная часть телескопа Total, которые не имеют прямой непрерывной цепи прослеживаемости SI. Это связано с тем, что солнечные отклики CERES измерялись на земле с использованием ламп, выходная энергия которых оценивалась с помощью контрольного детектора криополостного типа, который использовал серебряный телескоп Кассегрена, идентичный устройствам CERES, для соответствия полю зрения спутникового инструмента. Отражательная способность этого телескопа, построенного и используемого с середины 1990-х годов, фактически никогда не измерялась, оценивалась [16] только на основе свидетельских образцов (см. слайд 9 Пристли и др. (2014) [17] ). Такие трудности с наземной калибровкой в сочетании с предполагаемыми событиями загрязнения на земле [18] привели к необходимости внесения необъяснимых изменений в усиление детектора SW от земли к полету до 8% [19] просто для того, чтобы данные ERB казались более-менее приемлемыми для климатологии (обратите внимание, что CERES в настоящее время заявляет [14] об абсолютной точности SW в одну сигму в 0,9%).
Пространственное разрешение CERES в надирном обзоре (эквивалентный диаметр следа) составляет 10 км для CERES на спутниках TRMM и 20 км для CERES на спутниках Terra и Aqua . Возможно, для таких миссий, как CERES, более важным является стабильность калибровки или возможность отслеживать и разделять инструментальные изменения из данных о Земле, чтобы с уверенностью отслеживать истинное изменение климата. Бортовые источники калибровки CERES , предназначенные для достижения этого для каналов, измеряющих отраженный солнечный свет, включают солнечные рассеиватели и вольфрамовые лампы. Однако лампы имеют очень низкую выходную мощность в важном диапазоне длин волн ультрафиолетового диапазона, где деградация наибольшая, и было замечено, что они дрейфуют по энергии более чем на 1,4% в наземных испытаниях без возможности контролировать их на орбите (Priestley et al. (2001) [20] ). Солнечные рассеиватели также сильно деградировали на орбите, так что они были объявлены непригодными для использования Priestley et al. (2011). [21] Пара полостей черного тела , которые можно контролировать при разных температурах, используются для каналов Total и WN, но их стабильность не была доказана выше 0,5%/декада. [18] Наблюдения в холодном космосе и внутренняя калибровка выполняются во время обычного сканирования Земли.
Данные сравниваются между инструментами CERES на разных спутниках миссии, а также сравниваются с эталонными данными сканирования от сопутствующих спектрорадиометров (например, MODIS на Aqua). Планируемая миссия CLARREO Pathfinder направлена на обеспечение современного эталонного стандарта для нескольких существующих инструментов EOS, включая CERES. [14]
Исследование ежегодных изменений энергетического дисбаланса Земли (EEI) за период 2005–2019 гг. показало хорошее соответствие между наблюдениями CERES и EEI, полученными в результате измерений поглощения тепла океаном на месте с помощью сети поплавков Argo. [22] Параллельные исследования, измеряющие глобальное поглощение тепла океаном, таяние льда и повышение уровня моря с помощью комбинации космической альтиметрии и гравиметрии, показали схожие соответствия. [23] [24]
