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Clouds and the Earth's Radiant Energy System

Il Clouds and the Earth's Radiant Energy System o CERES (Il sistema energetico radiante terrestre e delle nuvole) è un esperimento climatologico della NASA in corso dall'orbita terrestre.[1][2] I CERES sono strumenti scientifici satellitari facenti parte del Earth Observing System (EOS - Sistema di Osservazione della Terra) della NASA, progettati per misurare sia la radiazione solare riflessa che quella emessa dalla sommità dell'atmosfera (TOA - Top Of Atmoshpere) alla superficie terrestre. Le proprietà delle nuvole sono determinate utilizzando misurazioni simultanee con altri strumenti EOS come lo Spettroradiometro Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).[3] I risultati delle missioni CERES e di altre missioni della NASA, come l'Earth Radiation Budget Experiment (ERBE),[4] potrebbero portare ad una migliore comprensione del ruolo delle nubi e del ciclo energetico nel cambiamento climatico globale.[1][5]

Rappresentazione artistica degli strumenti CERES che scansionano la Terra in modalità Piano Azimutale Rotante.
Incoming, top-of-atmosphere (TOA) radiazione di flusso a onde corte, mostra l'energia ricevuta dal sole (26-27 gennaio 2012).
Outgoing, radiazione di flusso a onde lunghe nella parte alta dell'atmosfera (26-27 gennaio 2012). L'energia termica irradiata dalla Terra (in watt per metro quadrato) è indicata nelle tonalità del giallo, rosso, blu e bianco. Le aree più calde sono quelle di colore giallo più brillante, che emettono più energia verso lo spazio, mentre le aree blu scuro e le nuvole bianche e luminose sono molto più fredde, che emettono meno energia.

Obiettivi scientifici modifica

L'esperimento CERES ha quattro obiettivi principali:

  • prosecuzione del registro ERBE dei flussi radiativi nella parte superiore dell'atmosfera (TOA) per l'analisi dei cambiamenti climatici;
  • raddoppiamento della precisione delle stime dei flussi radiativi al TOA e alla superficie terrestre;
  • fornire le prime stime globali a lungo termine dei flussi radiativi nell'atmosfera terrestre;
  • fornire stime delle proprietà delle nuvole che siano coerenti con i flussi radiativi dalla superficie alla TOA.

Ogni strumento CERES è un radiometro che ha tre canali - un canale ad onde corte (SW) per misurare la luce solare riflessa nella regione di 0,2-5 µm, un canale per misurare la radiazione termica emessa dalla Terra nella regione "finestra" o "WN" di 8-12 µm, e un canale complessivo per misurare l'intero spettro della radiazione terrestre in uscita (>0,2 µm). Lo strumento CERES si basa sul successo dell'esperimento Earth Radiation Budget Experiment, che ha utilizzato tre satelliti per fornire misurazioni del bilancio energetico globale dal 1984 al 1993.[6]

Calibrazione assoluta a terra modifica

In una missione per la registrazione di dati climatici (CDR) come CERES, l'accuratezza è di grande importanza e viene raggiunta durante le misurazioni notturne a raggi infrarossi puri utilizzando un corpo nero tracciabile SI in un laboratorio a terra per determinare i guadagni radiometrici totali e WN. Questo tuttavia non è il caso dei canali solari CERES come SW e la porzione solare del telescopio Total, che non hanno una catena diretta ininterrotta di tracciabilità SI. Questo perché le reazioni solari CERES sono state misurate a terra utilizzando lampade la cui energia di uscita è stata stimata da un rivelatore di riferimento a criocavità, che ha utilizzato un telescopio Cassegrain in argento identico ai dispositivi CERES per abbinare il campo visivo dello strumento satellitare. La riflettività di questo telescopio realizzato e utilizzato a partire dalla metà degli anni '90 non è mai stata effettivamente misurata, ma stimata[7] solo sulla base di provini (vedi diapositiva 9 di Priestley et al. (2014)[8]). Tali difficoltà nella calibrazione al suolo, combinate con sospetti eventi di contaminazione a terra,[9] hanno portato alla necessità di rendere inspiegabili i cambiamenti terra-volo nei guadagni del rivelatore SW fino all'8%,[10] semplicemente per far sembrare i dati ERB in qualche modo sensati alla scienza climatica (si noti che CERES attualmente vanta una precisione assoluta di un sigma SW dello 0.9%).[11]

Calibrazione in volo modifica

La risoluzione spaziale di CERES alla vista nadir (diametro equivalente dell'impronta) è di 10 km per CERES su TRMM e di 20 km per CERES su satelliti Terra e Aqua. Forse di maggiore importanza per missioni quali CERES è la stabilità di calibrazione, o la capacità di tracciare e dividere i cambiamenti strumentali dai dati terrestri in modo da tracciare con sicurezza i veri cambiamenti climatici. I sistemi di calibrazione di bordo di CERES sono destinati a raggiungere questo obiettivo per i canali di misurazione della luce solare riflessa includono diffusori solari e lampade al tungsteno. Tuttavia, le lampade hanno un rendimento molto basso nell'importante regione di lunghezza d'onda ultravioletta dove il degrado è maggiore e sono state viste andare alla deriva energetica di oltre l'1,4% nei test a terra, senza la possibilità di monitorarle in orbita (Priestley et al. (2001)[12]). Anche i diffusori solari si sono fortemente degradati in orbita, tanto da essere stati dichiarati inutilizzabili da Priestley et al (2011).[13] Per i canali Total e WN vengono utilizzate una coppia di cavità di corpi neri che possono essere controllate a temperature diverse, ma queste non si sono dimostrate stabili ad un valore superiore allo 0,5%/decade.[9] Le osservazioni dello spazio freddo e la calibrazione interna sono effettuate durante le normali scansioni della Terra.

Missioni modifica

Primo lancio modifica

II primo strumento CERES Proto-Flight Module (PFM) è stato lanciato a bordo della NASA Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) nel novembre 1997 dal Giappone. Tuttavia, questo strumento ha smesso di funzionare dopo 8 mesi a causa di un guasto al circuito di bordo.

CERES sui satelliti EOS e JPSS modifica

Altri sei strumenti CERES sono stati lanciati sul Earth Observing System e sul Joint Polar Satellite System. Il satellite Terra, lanciato nel dicembre 1999, include due strumenti (Flight Module 1 (FM1 e FM2) e il satellite Aqua, lanciato nel maggio 2002, altri due (FM3 e FM4). Un quinto strumento (FM5) è stato lanciato sul satellite Suomi NPP nell'ottobre 2011 e un sesto (FM6) sul NOAAA-20 nel novembre 2017. Con la rottura del PFM sul satellite TRMM e la perdita nel 2005 del canale SW di FM4 su Aqua, sono cinque dei moduli di volo CERES ancora pienamente operativi.[14][15]

Strumenti del Radioation Budget modifica

Le misure degli strumenti del CERES dovevano essere rafforzate dal Radiation Budget Instrument (RBI) che doveva essere lanciato su Joint Polar Satellite System-2 (JPSS-2) nel 2021, JPSS-3 nel 2026 e JPSS-4 nel 2031.[15] Il progetto è stato annullato il 26 gennaio 2018; la NASA ha parlato di questioni tecniche, di costi e di calendario e dell'impatto della prevista crescita dei costi della RBI su altri programmi.[16]

Modalità operative modifica

CERES opera in tre modalità di scansione: attraverso il collegamento a terra del satellite (cross-track), lungo la direzione del collegamento a terra del satellite (along-track), e in un aereo azimutale rotante (RAP). In modalità RAP, i radiometri acquisiscono le misure di radianza da un'ampia gamma di angoli di visione. Fino al febbraio 2005, sui satelliti Terra e Aqua uno degli strumenti CERES effettuava la scansione in modalità cross-track mentre l'altro era in modalità RAP o along-track. Lo strumento che operava in modalità di scansione RAP necessitava ogni mese di due giorni per il trasferimento dati. Tuttavia, i dati CERES multiangolari hanno permesso di ricavare nuovi modelli che tengono conto dell'anisotropia della scena visualizzata, e permettono il recupero del flusso radiativo TOA con maggiore precisione.[17]

Note modifica

  1. ^ a b B. A. Wielicki, Edwin F. Harrison, Robert D. Cess, Michael D. King e David A. Randall, <2125:MTPERO>2.0.CO;2 Mission to Planet Earth: Role of Clouds and Radiation in Climate, in Bull. Am. Meteorol. Soc., vol. 76, n. 11, 1995, pp. 2125–2152, Bibcode:1995BAMS...76.2125W, DOI:10.1175/1520-0477(1995)076<2125:MTPERO>2.0.CO;2.
  2. ^ Wielicki, <0853:CATERE>2.0.CO;2 Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES): An Earth Observing System Experiment, in Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 77, n. 5, 1996, pp. 853–868, Bibcode:1996BAMS...77..853W, DOI:10.1175/1520-0477(1996)077<0853:CATERE>2.0.CO;2.
  3. ^ P. Minnis, CERES Cloud Property Retrievals from Imager on TRMM, Terra and Aqua (PDF), su Proceedings of SPIE 10th International Symposium on Remote Sensing, www-pm.larc.nasa.gov, settembre 2003, pp. 37–48.
  4. ^ Bruce R. Barkstrom, The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), in Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 65, n. 11, 1º novembre 1984, pp. 1170–1185, DOI:10.1175/1520-0477(1984)0652.0.CO;2. URL consultato il 7 luglio 2019.
  5. ^ Surface and Atmospheric Remote Sensing: Technologies, Data Analysis and Interpretation., International, in Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS '94, 1994.
  6. ^ NASA, Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) (accessed Sept. 9, 2014)
  7. ^ M. Folkman et al., "Calibration of a shortwave reference standard by transfer from a blackbody standard using a cryogenic active cavity radiometer", IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 2298–2300, 1994.
  8. ^ Kory Priestley, CERES CALCON Talk, su digitalcommons.usu.edu, 5 agosto 2014.
  9. ^ a b Matthews, In-Flight Spectral Characterization and Calibration Stability Estimates for the Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES), in Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 28, 2009, p. 3, Bibcode:2011JAtOT..28....3P, DOI:10.1175/2010JTECHA1521.1.
  10. ^ Kory Priestley, CERES Gain Changes, su earth-www.larc.nasa.gov, 1º luglio 2002. URL consultato l'8 dicembre 2017 (archiviato dall'url originale il 12 dicembre 2016).
  11. ^ Wielicki, Achieving Climate Change Absolute Accuracy, in Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 94, n. 10, 2013, p. 1519, Bibcode:2013BAMS...94.1519W, DOI:10.1175/BAMS-D-12-00149.1.
  12. ^ Priestley, <2249:PRVOTC>2.0.CO;2 Postlaunch Radiometric Validation of the Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) Proto-Flight Model on the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Spacecraft through 1999, in Journal of Applied Meteorology, vol. 39, n. 12, 2001, p. 2249, Bibcode:2000JApMe..39.2249P, DOI:10.1175/1520-0450(2001)040<2249:PRVOTC>2.0.CO;2.
  13. ^ Priestley, Radiometric Performance of the CERES Earth Radiation Budget Climate Record Sensors on the EOS Aqua and Terra Spacecraft through April 2007, in Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 28, n. 1, 2011, p. 3, Bibcode:2011JAtOT..28....3P, DOI:10.1175/2010JTECHA1521.1.
  14. ^ (EN) Joint Polar Satellite System - Launch Schedule, su jpss.noaa.gov. URL consultato il 23 gennaio 2017 (archiviato dall'url originale il 19 gennaio 2017).
  15. ^ a b Joint Polar Satellite System: Mission and Instruments, su NASA. URL consultato il 14 novembre 2017.
  16. ^ NASA Cancels Earth Science Sensor Set for 2021 Launch, su NASA.gov. URL consultato il 28 gennaio 2018 (archiviato dall'url originale il 26 gennaio 2018).
  17. ^ N. G. Loeb, Seiji Kato, Konstantin Loukachine e Natividad Manalo-Smith, Angular distribution models for top-of-atmosphere radiative flux estimation from the Clouds and the Earth's Radiant Energy System instrument on the Terra Satellite. Part I: Methodology, in J. Atmos. Ocean. Tech., vol. 22, n. 4, 2005, pp. 338–351, Bibcode:2005JAtOT..22..338L, DOI:10.1175/JTECH1712.1.

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