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Articulo de referencia

Balance de radiación de la Tierra geoestacionaria

El Geostationary Earth Radiation Budget (GERB [ 1 ] ) es un instrumento a bordo de los satélites geoestacionarios Meteosat de segunda generación de EUMETSAT , diseñado para real...

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El Geostationary Earth Radiation Budget (GERB [ 1 ] ) es un instrumento a bordo de los satélites geoestacionarios Meteosat de segunda generación de EUMETSAT , diseñado para realizar mediciones precisas del balance de radiación terrestre . Fue producido por un consorcio europeo formado por el Reino Unido , Bélgica e Italia . El primero, conocido como GERB 2, fue lanzado el 28 de agosto de 2002 en un cohete Ariane 5. El segundo, GERB 1, fue lanzado el 21 de diciembre de 2005, y el tercero, GERB3, el 5 de julio de 2012. El último dispositivo GERB 4 fue lanzado el 14 de julio de 2015. El primer GERB 2 lanzado en MSG 1 se encuentra actualmente sobre el Océano Índico a 41,5°E, mientras que los GERB 1 y 3 en MSG 2 y 3 todavía se encuentran sobre la posición estándar de EUMETSAT en África . El GERB 4 en MSG aún no está operativo.

Motivaciones y objetivos científicos

El ritmo sin precedentes de aumento del CO₂ atmosférico , ocurrido desde la Revolución Industrial debido a la actividad humana, preocupa enormemente a los científicos, ya que se ha producido a una velocidad mucho mayor que la que jamás haya experimentado el planeta Tierra . Los modelos climáticos , conocidos como Modelos de Circulación Global (MCG), son actualmente una herramienta para investigar y predecir cómo cambiará el clima terrestre en respuesta a este ritmo de cambio sin precedentes. Estos modelos informáticos coinciden en gran medida en muchas predicciones sobre cómo el clima se verá "forzado" a un estado diferente por dichos cambios, pero aún existen muchas discrepancias, más concretamente sobre cómo este forzamiento también generará " retroalimentación " en el sistema. Por ejemplo, el aumento del CO₂ incrementará el efecto invernadero , lo que provocará una atmósfera más cálida y un mayor deshielo del Ártico. Sin embargo, se sabe que una atmósfera más cálida puede contener, por ejemplo, una mayor cantidad de vapor de agua con la misma humedad relativa , y el deshielo del hielo blanco del Ártico, altamente reflectante, expondrá el océano abierto a la luz solar. Dado que el vapor de agua es en sí mismo un gas de efecto invernadero muy potente y el oscuro océano Ártico absorberá más luz solar que el hielo flotante altamente reflectante, se entiende razonablemente bien que ambos son retroalimentaciones positivas que actuarán para acelerar la tasa de calentamiento global. Quizás el aspecto menos comprendido del cambio climático involucra las nubes y cómo podrían cambiar en respuesta al calentamiento atmosférico directo debido al aumento de CO₂ . Estos efectos se denominan colectivamente forzamiento de nubes o forzamiento radiativo de nubes.(CRF) y la retroalimentación aún no se comprenden al nivel en que se pueda predecir con certeza si sus posibles retroalimentaciones serán en total positivas y acelerarán, o negativas y ralentizarán el calentamiento global. Las acciones del sistema meteorológico/climático de la Tierra son esencialmente el trabajo realizado por un motor térmico a escala global, cuyo calor de entrada proviene de toda la energía solar absorbida mientras que el calor de salida proviene de las emisiones térmicas infrarrojas de vuelta al espacio. Estos dos flujos radiativos se denominan componentes de onda corta (SW para solar) y onda larga (LW para IR) en lo que se conoce como el balance de radiación de la Tierra (ERB, naturalmente el calor de entrada requiere que se mida la SW reflejada y se reste del flujo solar entrante también necesario). Por lo tanto, las nubes tienen naturalmente un gran efecto en el ERB debido a su alta reflectividad solar SW y su fuerte absorción de LW térmica saliente. A nivel mundial, los flujos de ERB solo pueden medirse desde la órbita y se han recopilado desde la década de 1970 mediante misiones de EE. UU. y Europa, de forma más extensa desde 1998 por los instrumentos CERES ( Clouds and the Earth's Radiant Energy System ) de la NASA en órbita terrestre baja . Sin embargo, estas plataformas orbitales observan cada punto de la Tierra como máximo solo dos veces al día, mientras que la formación de nubes y la modulación de la ERB ocurren en una escala de tiempo de minutos (véase la Fig. 1). Por lo tanto, aunque vitales para el seguimiento de los cambios globales en la ERB, estas mediciones orbitales bajas no pueden utilizarse directamente para validar simulaciones informáticas de cambios en la formación y disipación de nubes convectivas en respuesta directa al inevitable calentamiento de la superficie debido al aumento del CO₂ , etc. Para abordar esta deficiencia en el sistema de observación de la Tierra, el consorcio europeo formado por el Reino Unido, Bélgica e Italia emprendió el proyecto GERB (Geo-stationary Earth Radiation Budget), con la intención de colocar un radiómetro ERB de alta precisión a bordo de las plataformas estabilizadas por giro Meteosat de Segunda Generación (MSG).

Dispositivo GERB y calibración

El proyecto GERB está liderado por el Grupo Espacial y Atmosférico (SPAT), con sede en el Imperial College del Reino Unido. El profesor John E. Harries fue el investigador principal original , y ahora lo ha sucedido la Dra. Helen Brindley. Los dispositivos fueron construidos por el Laboratorio Rutherford Appleton utilizando un telescopio italiano de tres espejos de plata y electrónica diseñada por el Centro de Ciencias Espaciales de la Universidad de Leicester, Reino Unido. Cada uno de los cuatro dispositivos GERB completados se sometió a una exhaustiva calibración radiométrica terrestre en una Cámara de Calibración al Vacío (VCC) en la Instalación de Observación y Caracterización de la Tierra (EOCF), también del Imperial College, diseñada por Ray Wrigley. Dichas pruebas incluyeron la confirmación de la linealidad, la determinación de la ganancia radiométrica de onda larga (LW) utilizando cuerpos negros calientes y fríos (WBB y CBB), la determinación de la ganancia de onda corta (SW) utilizando una lámpara de fuente de calibración visible (VISCS) y comprobaciones puntuales de la respuesta espectral a nivel de sistema.

Cada dispositivo GERB utiliza una matriz lineal de detectores de termopila ennegrecidos fabricados por Honeywell, que observan la Tierra en cada rotación de 100 rpm de la plataforma MSG mediante un espejo de desescaneo (DSM). De este modo, se toma una columna del disco terrestre en cada revolución, lo que permite obtener 250x256 muestras de canal total, seguidas de 250x256 muestras de onda corta (SW) con el filtro de cuarzo colocado cada 5 minutos (es decir, la fase relativa del DSM con respecto a la rotación de MSG se desplaza ligeramente en cada rotación, véase la figura 4, abajo a la derecha). En cada rotación, los detectores también observan el cuerpo negro interno (IBB) y el monitor de calibración (CalMon) para permitir la actualización continua de los cambios de ganancia de onda larga (LW) y onda corta (SW). Su ubicación en las afueras de la plataforma giratoria MSG de 3 metros de ancho exigió un diseño riguroso del dispositivo GERB para soportar la fuerza centrífuga constante de 16 g a la que está expuesto durante la rotación del DSM.

Cada 15 minutos después de tomar 3 matrices completas Total y SW 250x256 del disco terrestre, se obtiene un resultado LW sintético a partir de la diferencia media entre ambos. Estos resultados ERB se combinan luego con una mejora de resolución y recuperaciones de nubes usando el Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) también en la plataforma MSG. La combinación de GERB y SEVIRI a través de la sinergia de datos también requirió un mapeo detallado de cada una de las 256 respuestas del campo de visión del detector/telescopio GERB o función de dispersión de punto (PSF, ver Matthews (2004) [ 2 ] ). Esto se hizo usando un láser He-Ne controlado por computadora para mapear cada una de las respuestas de las 256 termopilas después de ser cubiertas con negro de oro. Los detalles completos de la calibración terrestre de GERB se pueden obtener en Matthews (2003). [ 3 ] La respuesta espectral o medida de la absorción relativa en diferentes longitudes de onda de luz para cada detector GERB es necesaria para el proceso de desfiltrado de la señal bruta de cada termopila. Este método utiliza modelos de transferencia radiativa para estimar la forma espectral de la radiancia de una escena particular y así calcular una relación de desfiltrado, es decir, el factor necesario para tener en cuenta la respuesta espectral no uniforme. Para cada dispositivo GERB, esto se basa en la multiplicación de mediciones de laboratorio a nivel de unidad del rendimiento/absorción espectral del detector, el telescopio, el DSM y el filtro de cuarzo. La precisión de los resultados de GERB SW depende directamente de la calidad de dichas mediciones, ya que la ganancia SW se determina utilizando la lámpara VISCS, cuyo espectro se desplaza significativamente hacia longitudes de onda más largas en comparación con el del Sol. Actualmente, se estima que la precisión de GERB ronda el 2 % (referencia). Este desfiltrado lo realiza el Real Instituto Meteorológico de Bélgica (RMIB), junto con la sinergia con los datos de SEVIRI y la conversión de radiancia a irradiancia mediante modelos de dependencia angular (ADM).

Calibración en vuelo de GERB

Para cada una de las 100 rotaciones por minuto, cada detector GERB obtiene un escaneo tanto del Cuerpo Negro Interno (IBB) como del difusor solar CalMon. La ganancia en Cuentas por W m −2 Sr −1 y los desplazamientos de cada píxel de la termopila se actualizan regularmente en función de la temperatura conocida del IBB y la diferencia de su señal con respecto a la de Earthview. La intención original era utilizar las vistas del difusor solar de aluminio CalMon para rastrear los cambios en el flujo de fotones solares del dispositivo GERB (ver Ecuaciones [ 3 ] desarrolladas por J. Mueller). Sin embargo, los difusores solares en vuelo y su transmisión de luz solar cambian drásticamente en órbita, de modo que los difusores en CERES fueron considerados inutilizables por la NASA. [ 4 ] Además, la naturaleza de esfera integradora del CalMon significa que los fotones solares probablemente habrán sufrido muchas reflexiones en el aluminio en su camino hacia el telescopio GERB, lo que probablemente reducirá significativamente la energía en el  mínimo de 830 nm en la reflectividad del aluminio en una cantidad desconocida. Entre las posibles alternativas para rastrear los cambios en la respuesta solar del dispositivo GERB se incluye la comparación con otros dispositivos ERB, como el instrumento CLARREO propuesto por la NASA , o quizás otros dispositivos de banda ancha, suponiendo que su calibración se valide posteriormente. [ 5 ] Otra posibilidad es el uso de vistas de la Luna, como las utilizadas por el proyecto SeaWIFS, para garantizar la estabilidad de los resultados terrestres (véase la figura 5).

Datos de GERB

Los datos de GERB están disponibles en el sitio de descarga GGSPS del Laboratorio Rutherford Appleton (ver más abajo), como se muestra en la animación de la Figura 6, que presenta la radiación de onda corta reflejada por el disco terrestre (izquierda) y la radiación de onda larga saliente (derecha). Esta animación muestra los flujos de radiación de onda corta y larga de GERB correspondientes a 24 horas, lo que permitirá a los científicos del clima validar cómo los modelos climáticos globales simulan la formación y disipación de nubes y sus efectos en la radiación de onda larga saliente.

Sinergia GERB-SEVIRI

Dado que los flujos ERB de los instrumentos CERES se combinan con las recuperaciones de nubes del generador de imágenes MODIS , siempre fue la intención vincular las mediciones SW y LW de GERB con los resultados del dispositivo principal Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (SEVIRI) en las plataformas MSG. Además de las recuperaciones de nubes/aerosoles del instrumento SEVIRI de banda estrecha, los datos del generador de imágenes de alta resolución espacial se combinan con la precisión de GERB para mejorar la resolución de los flujos que impulsan el clima, con el fin de evaluar mejor las simulaciones de modelos climáticos de formación/disipación de nubes y comprender cómo pueden acelerar o ralentizar el cambio climático. Las radiancias de SEVIRI también se utilizan en el proceso de desfiltrado de GERB para ayudar a estimar la forma espectral de la escena que se está observando.

Acceso a los datos

Además del sitio de descarga de Rutherford GGSPS, se está creando un nuevo centro de acceso en el Centro de Análisis de Datos Ambientales (CEDA), que también figura en las URL que aparecen a continuación y que permitirá el acceso a los archivos GERB.

Referencias

  1. ↑ Harries; et  al. (2005). "El proyecto de balance de radiación de la Tierra geoestacionaria" . Bull. Amer. Meteor. Soc . 86 (7): 945. Bibcode : 2005BAMS...86..945H . doi : 10.1175/BAMS-86-7-945 . hdl : 2381/26453 .
  2. ↑ G. Matthews., "Cálculo de la respuesta estática en vuelo del telescopio-detector mediante deconvolución aplicada a la función de dispersión de puntos para el experimento de balance de radiación de la Tierra geoestacionaria", Applied Optics, Vol 43, pp. 6313–6322, 2004.
  3. 1 2 Matthews (2003). "Sensibilidad de un radiómetro ERB de satélite geoestacionario a las no uniformidades de la escena y del detector" (PDF) . Tesis doctoral del Imperial College.
  4. ↑ Priestley; et al. (2010). "Rendimiento radiométrico de los sensores de registro climático del balance de radiación terrestre CERES en las naves espaciales EOS Aqua y Terra hasta abril de 2007" . Journal of Atmospheric and Oceanic Technology . 28 (1): 3. Bibcode : 2011JAtOT..28....3P . doi : 10.1175/2010JTECHA1521.1 . 
  5. ↑ Parfitt; et al. (2016). "Un estudio de la evolución temporal de la calibración de onda corta de GERB mediante comparación con datos CERES Edición-3A" . Remote Sensing of Environment . 186 : 416–427 . Bibcode : 2016RSEnv.186..416P . doi : 10.1016/j.rse.2016.09.005 . hdl : 10044/1/40072 . 
  • Gerbo
  • GERB en RMIB
  • Sitio de descarga de datos de GGSPS GERB en el Laboratorio Rutherford Appleton.
  • Sitio de descarga de datos de GERB en el Centro de Análisis de Datos Ambientales.