Роль спутниковых систем в глобальном мониторинге изменения климата

Сбор и передача данных

После сбора данные датчиков обрабатываются на борту спутника — иногда с сжатием без потерь — затем передаются по радиочастотам на наземные станции, распределенные по всему миру. Агентства, такие как НАСА, ЕКА и JAXA, управляют сетями приемных станций, которые собирают данные в режиме реального времени. После приема необработанная телеметрия проходит этапы калибровки и проверки для преобразования показаний приборов в физические величины, такие как температура в Кельвине или части на миллион углекислого газа. Эти калиброванные данные затем архивируются и становятся доступными для ученых через порталы, такие как Earthdata НАСА или Центр открытого доступа Коперника ЕКА.

Типы спутниковых данных, используемых в науке о климате

Для каждой климатической переменной требуется определенный тип спутниковых измерений. Понимание сильных сторон и ограничений этих типов данных имеет основополагающее значение для интерпретации климатических записей и результатов моделирования.

Термальные инфракрасные данные

Тепловизионные инфракрасные датчики измеряют длинноволновое излучение, испускаемое Землей. Это излучение напрямую связано с температурой поверхности, что делает тепловые каналы необходимыми для мониторинга температуры поверхности моря, температуры поверхности суши и температуры нижней атмосферы. Объединив эти измерения с точными моделями излучательной способности, ученые могут обнаружить тенденции потепления в Арктике и изменения теплосодержимого океана. Спектрорадиометр с умеренным разрешением (MODIS) на Терре и Аква является широко используемым источником тепловых инфракрасных данных для климатических исследований.

Микроволновые данные

Микроволновые датчики могут проникать в облачный покров и измерять тепловые выбросы или обратное рассеяние с поверхностей. Пассивные микроволновые радиометры, такие как на спутниках TRMM и GPM, измеряют интенсивность осадков по всему миру. Они также отслеживают концентрацию и протяженность морского льда, обнаруживая разницу в микроволновой излучательности между открытой водой и льдом. Поскольку микроволны меньше подвержены воздействию атмосферного водяного пара, эти измерения особенно полезны для изучения полярных регионов, где облака устойчивы.

Видимые и ближние инфракрасные данные

Видимые и ближние инфракрасные каналы захватывают отраженный солнечный свет. Соотношение отраженного ближнего инфракрасного света к красному свету - Нормализованный индекс разности растительности (NDVI) - широко используется для определения здоровья и плотности растительности. Долгосрочные записи NDVI из серии датчиков AVHRR выявили изменения в продолжительности вегетационного периода и характере опустынивания. Эти данные также помогают отслеживать цветение фитопланктона в океанах, обеспечивая понимание первичного производства и поглощения углерода.

Данные радара и альтиметрии

Радиолокационные высотомеры обеспечивают критические измерения уровня моря с глобальным охватом каждые 10-30 дней. Непрерывная запись с TOPEX/Poseidon на текущие миссии Sentinel-6 показала явное ускорение повышения уровня моря за последние три десятилетия. Кроме того, методы интерферометрического SAR (InSAR) позволяют ученым измерять изменения в миллиметровом масштабе в высоте поверхности земли, такие как оседание прибрежных городов или истончение горных ледников.

Основные спутниковые миссии и программы

Мониторинг климата невозможен без скоординированных международных программ, которые разрабатывают, запускают и эксплуатируют спутники с помощью соответствующих климату инструментов.

Система наблюдения Земли NASA (EOS)

Программа EOS, начатая в 1990-х годах, включает в себя флагманские спутники, такие как Terra (запущен в 1999 году), Aqua (2002 год) и Aura (2004). Эти платформы несут несколько инструментов, которые предоставляют данные о земле, океанах, атмосфере и криосфере. Миссия была разработана для создания 15-летнего или более длительного климатического рекорда; многие инструменты продолжают работать за пределами их проектного срока службы, обеспечивая более двух десятилетий наблюдений. Созвездие A-Train - скоординированная группа спутников, летящих в одной орбитальной плоскости - позволяет проводить почти одновременные измерения с разных инструментов, значительно повышая научную ценность данных.

Программа ЕКА «Коперник»

Программа Европейского космического агентства «Коперник» включает в себя семейство спутников Sentinel. Sentinel-1 обеспечивает радиолокационные снимки; Sentinel-2 предоставляет оптические данные высокого разрешения для мониторинга земли; Sentinel-3 несет передовой альтиметр и цветной инструмент океана; и Sentinel-5P (Pilot) отображает атмосферные газы с беспрецедентным пространственным разрешением. Программа Copernicus гарантирует долгосрочную непрерывность данных и свободный, открытый доступ к данным, что изменило исследования климата и оперативный мониторинг окружающей среды во всем мире.

Полярно-орбитальные спутники NOAA

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) управляет Объединенной полярной спутниковой системой (JPSS), которая включает в себя АЭС Суоми (запущена в 2011 году) и NOAA-20 (2017). Эти спутники несут радиометрический набор видимого инфракрасного изображения (VIIRS), датчик, который сочетает в себе возможности MODIS и AVHRR. Данные VIIRS используются для прогнозирования погоды, а также для климатических приложений, таких как мониторинг морского льда и оценка здоровья растительности.

Международное сотрудничество и обмен данными

Ни одна страна не может покрыть глобальные потребности в мониторинге в одиночку. Комитет по спутникам наблюдения Земли (CEOS) координирует гражданские наблюдения в космосе и способствует обмену данными. Группа по наблюдениям Земли (GEO) работает над созданием Глобальной системы систем наблюдения Земли (GEOSS). Эти рамки обеспечивают совместимость данных из разных источников и возможность совместного устранения пробелов в охвате. Международное сотрудничество также распространяется на калибровку - Рабочая группа по калибровке и валидации CEOS обеспечивает согласованность измерений с разных спутников, что является необходимым условием для создания надежных климатических записей.

Влияние спутниковых данных на науку о климате

Спутниковые наблюдения коренным образом изменили понимание учеными системы Земли. До эры спутников климатические данные были скудными и часто смещались в сторону населенных регионов. Сегодня спутниковые записи обеспечивают действительно глобальную, однородную перспективу, которая позволила несколько крупных научных достижений.

Долгосрочные климатические рекорды

Последовательное спутниковое исследование в настоящее время охватывает более 40 лет для некоторых переменных, таких как температура поверхности моря (из серии AVHRR) и протяженность морского льда (из пассивных микроволновых наблюдений). Глобальная запись температуры поверхности спутника показывает тенденцию потепления приблизительно 0,13 ° C за десятилетие с 1970-х годов, в тесном согласии с данными in situ. Запись арктического морского льда показывает резкое снижение примерно на 13% за десятилетие в сентябре, когда ледяной покров достигает своего годового минимума. Эти долгосрочные записи необходимы для различения краткосрочной изменчивости от долгосрочного изменения климата.

Совершенствование климатических моделей

Климатические модели имитируют физические процессы, которые управляют системой Земли, но они должны оцениваться по наблюдениям, чтобы построить уверенность. Спутниковые данные обеспечивают крупномасштабное покрытие и высокую временную частоту, необходимую для проверки модели. Например, спутниковые оценки радиационного баланса верхней части атмосферы используются для проверки того, как модели имитируют обратную связь с облаком. Проект совместного моделирования (CMIP), который подается в отчеты IPCC , в значительной степени полагается на спутниковые метрики для оценки производительности модели. Без этих наблюдений искажения модели останутся незамеченными, а прогнозы будущего климата будут гораздо менее надежными.

Директивным органам нужны четкие, объективные данные для разработки стратегий смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним. Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИКООН) использует спутниковые данные для мониторинга выбросов и абсорбции парниковых газов в странах в соответствии с Парижским соглашением. Например, Глобальный проект по углеродным выбросам использует спутниковые наблюдения за выбросами углекислого газа для отслеживания тенденций выбросов и эффективности естественных поглотителей углерода. Спутниковые карты обезлесения, такие как карты, полученные в результате глобального наблюдения за лесами , позволяют правительствам проводить политику землепользования и сообщать о прогрессе в направлении сокращения выбросов в результате обезлесения и деградации лесов (REDD+).

Огромный объем необработанных спутниковых данных — петабайт в год — представляет собой проблемы с вычислительной и складской базой. Многие развивающиеся страны не имеют инфраструктуры для загрузки и обработки спутниковых данных на местном уровне. Облачные платформы, такие как Google Earth Engine , частично решили эту проблему, разместив курируемые спутниковые данные и предоставив возможности обработки в Интернете. Однако справедливый доступ остается проблемой, и продолжающиеся усилия направлены на создание потенциала данных в недостаточно представленных регионах.

Будущие направления

Следующее поколение спутниковых миссий обещает еще более точное разрешение, больший охват и новые возможности измерения, которые будут способствовать дальнейшему улучшению мониторинга климата.

Датчики следующего поколения

Планируемые миссии включают в себя Surface Biology and Geology (SBG) , запланированные для Обсерватории Земной Системы НАСА, которая будет нести спектрометр изображений, способный измерять сотни узких полос для картирования состава экосистемы и здоровья. ESA's Earth Explorer миссии — такие как Biomass (измерять запасы углерода в лесах с помощью Р-диапазона радара) и FLEX (измерять флуоресценцию растительности) — обеспечат совершенно новые наборы данных, имеющих отношение к климату. Кроме того, миссия GRACE-FO продолжает отслеживать изменения гравитационного поля Земли — прокси для потери массы ледяного покрова и истощения подземных вод.