Wolken und das strahlende Energiesystem der Erde - Clouds and the Earth's Radiant Energy System
Clouds and the Earth's Radiant Energy System ( CERES ) ist ein laufendes klimatologisches Experiment der NASA aus der Erdumlaufbahn . Die CERES sind wissenschaftliche Satelliteninstrumente, die Teil des Earth Observing Systems (EOS) der NASA sind und sowohl von der Sonne reflektierte als auch von der Erde emittierte Strahlung vom oberen Rand der Atmosphäre (TOA) bis zur Erdoberfläche messen sollen . Die Wolkeneigenschaften werden durch gleichzeitige Messungen anderer EOS-Instrumente wie dem Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) bestimmt. Ergebnisse von CERES und anderen NASA-Missionen, wie dem Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), könnten zu einem besseren Verständnis der Rolle von Wolken und des Energiekreislaufs beim globalen Klimawandel führen .
Wissenschaftliche Ziele
Das CERES-Experiment hat vier Hauptziele:
- Fortsetzung der ERBE-Aufzeichnung der Strahlungsflüsse an der Spitze der Atmosphäre (TOA) für die Analyse des Klimawandels .
- Verdoppelung der Genauigkeit von Schätzungen der Strahlungsflüsse an der TOA und der Erdoberfläche.
- Bereitstellung der ersten langfristigen globalen Schätzungen der Strahlungsflüsse in der Erdatmosphäre.
- Geben Sie Schätzungen der Wolkeneigenschaften an, die mit den Strahlungsflüssen von der Oberfläche zur TOA übereinstimmen.
Jedes CERES-Instrument ist ein Radiometer mit drei Kanälen – einem Kurzwellenkanal (SW) zur Messung des reflektierten Sonnenlichts im Bereich von 0,2–5 µm , einem Kanal zur Messung der von der Erde emittierten Wärmestrahlung im 8–12 µm "Fenster" oder "WN" -Region und einen Gesamtkanal zur Messung des gesamten Spektrums der ausgehenden Erdstrahlung (>0,2 µm ). Das CERES-Instrument basierte auf dem erfolgreichen Earth Radiation Budget Experiment , bei dem drei Satelliten von 1984 bis 1993 zur Messung des globalen Energiehaushalts verwendet wurden.
Erdabsolutkalibrierung
Für eine Klimadatenaufzeichnung (CDR)-Mission wie CERES ist Genauigkeit von großer Bedeutung und wird für reine Infrarot-Nachtmessungen durch die Verwendung eines SI-rückführbaren Schwarzkörpers im Bodenlabor erreicht, um die Gesamt- und WN-Kanal-Radiometriegewinne zu bestimmen. Dies war jedoch nicht der Fall für CERES-Sonnenkanäle wie SW und den Sonnenteil des Total-Teleskops, die keine direkte ununterbrochene Kette zur SI-Rückverfolgbarkeit haben. Dies liegt daran, dass die Sonnenreaktionen von CERES am Boden unter Verwendung von Lampen gemessen wurden, deren Ausgangsenergie von einem Kryohohlraum-Referenzdetektor geschätzt wurde, der ein silbernes Cassegrain-Teleskop verwendet, das mit den CERES-Geräten identisch ist, um das Sichtfeld des Satelliteninstruments abzugleichen. Das Reflexionsvermögen dieses seit Mitte der 1990er Jahre gebauten und genutzten Teleskops wurde nie tatsächlich gemessen, sondern nur anhand von Zeugenproben geschätzt (siehe Folie 9 von Priestley et al. (2014)). Solche Schwierigkeiten bei der Bodenkalibrierung in Kombination mit vermuteten Kontaminationsereignissen am Boden haben dazu geführt, dass unerklärliche Boden-Flug-Änderungen bei den SW-Detektorgewinnen von bis zu 8% vorgenommen werden müssen, nur um die ERB-Daten für die Klimawissenschaft einigermaßen vernünftig erscheinen zu lassen (Anmerkung dass CERES derzeit eine absolute SW-Genauigkeit von 0,9% behauptet.
Kalibrierung im Flug
Die räumliche Auflösung von CERES in der Nadir-Ansicht (äquivalenter Durchmesser des Footprints) beträgt 10 km für CERES auf TRMM und 20 km für CERES auf Terra- und Aqua- Satelliten. Vielleicht von größerer Bedeutung für Missionen wie CERES ist die Kalibrierungsstabilität oder die Fähigkeit, instrumentelle Veränderungen aus Erddaten zu verfolgen und zu partitionieren, um den wahren Klimawandel mit Zuversicht zu verfolgen. CERES-Onboard- Kalibrierquellen , die dies für Kanäle zur Messung des reflektierten Sonnenlichts erreichen sollen, umfassen Solardiffusoren und Wolframlampen. Die Lampen haben jedoch im wichtigen ultravioletten Wellenlängenbereich, in dem die Degradation am größten ist, eine sehr geringe Leistung, und bei Bodentests wurde eine Energiedrift von über 1,4 % beobachtet, ohne dass sie in der Umlaufbahn überwacht werden können (Priestley et al. (2001 .) )). Auch die Sonnendiffusoren haben sich in der Umlaufbahn stark verschlechtert, so dass sie von Priestley et al. (2011). Für die Total- und WN-Kanäle wird ein Paar Schwarzkörper- Hohlräume verwendet, die bei unterschiedlichen Temperaturen gesteuert werden können, aber diese haben sich nicht als stabil bis besser als 0,5%/Dekade erwiesen. Kaltraumbeobachtungen und interne Kalibrierungen werden während normaler Erdscans durchgeführt.
Missionen
Erster Start
Das erste CERES-Instrument Proto-Flight Module (PFM) wurde im November 1997 von Japan aus an Bord der NASA Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) gestartet . Dieses Gerät funktionierte jedoch nach 8 Monaten aufgrund eines Fehlers im Bordnetz nicht.
CERES auf den Missionssatelliten EOS und JPSS
Weitere sechs CERES-Instrumente wurden auf dem Erdbeobachtungssystem und dem Gemeinsamen Polarsatellitensystem gestartet . Der im Dezember 1999 gestartete Satellit Terra trug zwei (Flugmodul 1 (FM1) und FM2) und der im Mai 2002 gestartete Satellit Aqua zwei weitere (FM3 und FM4). Ein fünftes Instrument (FM5) wurde im Oktober 2011 auf dem NPP- Satelliten Suomi und im November 2017 ein sechstes (FM6) auf NOAA-20 gestartet . Mit dem Ausfall des PFM auf TRMM und dem Verlust des SW-Kanals von FM4 auf Aqua . im Jahr 2005 , gibt es fünf der CERES-Flugmodule, die ab 2017 voll einsatzbereit sind.
Instrumente zum Strahlenhaushalt
Die Messungen der CERES-Instrumente sollten durch das Radiation Budget Instrument (RBI) unterstützt werden, das 2021 auf dem Joint Polar Satellite System -2 (JPSS-2), 2026 JPSS-3 und 2031 JPSS-4 gestartet werden sollte Projekt wurde am 26. Januar 2018 abgebrochen; Die NASA führte technische, Kosten- und Zeitplanprobleme sowie die Auswirkungen des erwarteten RBI-Kostenwachstums auf andere Programme an.
Betriebsarten
CERES arbeitet in drei Scan-Modi: quer zur Satelliten- Bodenspur (Cross-Track), entlang der Richtung der Satelliten-Bodenspur (Along-Track) und in einer rotierenden Azimutebene (RAP). Im RAP-Modus scannen die Radiometer in der Höhe, während sie sich im Azimut drehen , und erfassen so Strahlungsmessungen aus einem breiten Blickwinkelbereich. Bis Februar 2005 scannte auf Terra- und Aqua- Satelliten eines der CERES-Instrumente im Cross-Track-Modus, während das andere im RAP- oder Long-Track-Modus war. Das Gerät, das im RAP-Scanmodus betrieben wurde, benötigte jeden Monat zwei Tage lang Daten entlang der Strecke. Die mehrwinkligen CERES-Daten ermöglichten jedoch die Ableitung neuer Modelle, die die Anisotropie der betrachteten Szene berücksichtigen und eine TOA-Strahlungsflussabfrage mit erhöhter Präzision ermöglichen.