Новый спутник NPP продолжит комплексное наблюдение за Землей

0

Б. А. Дворкин

28 октября 2011 г. американское космическое агентство NASA вывело на орбиту спутник дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) нового поколения NPP (NPOESS Preparatory Project).

Космический аппарат планируется использовать для краткосрочного прогнозирования погоды и исследования климатических процессов. Спутник будет собирать данные об энергетическом балансе планеты, температуре, состоянии озонового слоя, загрязнении воздуха, а также наблюдать за ледовым покровом Арктики и Антарктики, растительностью и экстремальными погодными явлениями.

В последние десятилетия американское космическое агентство NASA запустило целую серию спутников, которые позволяют вести всеобъемлющие наблюдения Земли из космоса. Эти спутники все вместе составляют систему EOS (Earth Observing System). Однако космические аппараты EOS в основном уже выработали свой ресурс, поэтому им на смену готовится новая генерация полярно-орбитальных спутников, которые планируется запустить в рамках программы JPSS (Joint Polar Satellite System; прежнее ее название NPOESS — National Polarorbiting Operational Environmental Satellite System). Система JPSS начнет в полном объеме разворачиваться в 2015 г.

Двухтонный спутник NPP (рис. 1) служит своеобразным мостиком между программами EOS и JPSS. С высоты орбиты 824 км он проводит съемку поверхности Земли практически в ежедневном режиме.

Рис. 1. Спутник NPP
Рис. 1. Спутник NPP

 

Данные со спутника NPP передаются на наземный комплекс, расположенный на норвежском архипелаге Шпицберген, а также на корпоративные станции приема в реальном режиме времени. Кроме того, доступ к переданным на Шпицберген данным возможен по сети Интернет.

Спутник оснащен пятью различными инструментами: для измерения температуры, влажности и давления атмосферы ATMS и CrIS; для сбора данных о вертикальном и горизонтальном распространении озона в атмосфере OMPS; для изучения электромагнитного излучения CERES; усовершенствованный аналог популярного сенсора MODIS радиометр VIIRS.

Все инструменты являются усовершенствованными аналогами приборов, установленных на борту спутников Terra, Aqua и Aura.

ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder)

22-канальный пассивный микроволновый радиометр, предназначенный для создания глобальных моделей температуры и профилей влажности, которые помогут метеорологам в прогнозировании погоды.

CrIS (Cross-track Infrared Sounder)

Инструмент представляет собой интерферометр Майкельсона, который будет отслеживать параметры атмосферы, такие, как влажность и давление, что послужит повышению достоверности краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды.

OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite)

Инструмент совмещает в себе усовершенствованный сенсор, предназначенный для долгосрочного непрерывного накопления данных из космоса о количестве озона.

CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)

3-канальный радиометр CERES, предназначенный для измерения отраженной солнечной радиации, излучения земной поверхности и суммарной радиации, будет осуществлять мониторинг природных и антропогенных воздействий на общее тепловое излучение Земли.

VIIRS (Visible/Infrared Imaging Radiometer Suite)

Особый интерес для съемки земной поверхности представляет сенсор VIIRS. Остановимся подробнее на его описании.

22-х канальный сканирующий радиометр VIIRS проводит съемку Земли в видимом и инфракрасном диапазонах, а также ведет радиометрические измерения земной поверхности, атмосферы, криосферы и океанов. Он расширит и улучшит возможности наблюдений и измерений, которые в настоящее время ведутся с помощью радиометров AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer; установлен на спутнике MetOp-A и других метеоспутниках NOAA) и MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; установлен на спутниках Aqua и Terra).

Данные VIIRS используются для измерения параметров облачности и атмосферных аэрозолей, температуры океанической и земной поверхности, цвета океанов, для наблюдения за движением льдов и их температурой, пожарами и альбедо Земли. Климатологи будут использовать данные VIIRS для улучшения понимания процессов глобального изменения климата. Ширина полосы съемки VIIRS 3000 км, пространственное разрешение от 400 м в надире до 800 м на краях полосы съемки.

VIIRS и исследование Мирового океана. Радиометрические и высокоточные спутниковые океанические измерения цветовой насыщенности океанов и температуры поверхности воды были впервые проведены спутниками Nimbus-7 (инструмент CZCS—Coastal Zone Color Scanner) и NOAA-7 (инструмент AVHRR), запущенными соответственно в 1978 и 1981 гг. Последующие наблюдения с помощью приборов SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-ofview Sensor) и MODIS продолжили ряд высокоточных наблюдений за этими и другими параметрами, расширив данные о спектральных характеристиках за счет улучшенной калибровки инструментов и повышения качества алгоритмов обработки данных.

Как и MODIS, VIIRS обеспечивает данными о параметрах океанов, земной поверхности и атмосферы исследовательские и прикладные оперативные работы. Спектральный диапазон VIIRS позволяет получать данные, аналогичные SeaWiFS и SST (Sea Surface Temperature — стандартный продукт MODIS).

Двухдневная повторная съемка — одно из основных требований при наблюдении за экологией океанов и углекислым газом, потому что концентрация морского фитопланктона чрезвычайно изменчива, особенно в прибрежных зонах.

Улучшенное пространственное разрешение VIIRS обеспечивает в два раза больший охват съемкой, чем MODIS и SeaWiFS, что является существенным шагом вперед для исследований прибрежных зон в целом и устьев рек в частности. Радиометр VIIRS имеет также коротковолновый инфракрасный канал, который может использоваться при съемке замутненных вод.

Измерение концентрации пигмента, прозрачности воды, взвешенных частиц и других параметров в прибрежных районах имеет важное значение для решения задач в различных областях, в частности в рыбном хозяйстве, военно-морской сфере. Специальные задачи, которые VIIRS поможет решить, включают оперативный прогноз вредоносного цветения водорослей в Мексиканском заливе, выявление областей с высоким риском гибели кораллов, связанной с температурными колебаниями, оценку влияния климата на рыбные ресурсы, оценку продуктивности и здоровья экосистем в океанических бассейнах и побережных зонах.

Кроме того, точные оценки температуры поверхности воды (SST) имеют важное значение для решения многих задач, таких, например, как предсказание ураганов. Данные SST VIIRS будут использоваться для продолжения десятилетнего ряда глобальных наблюдений, начатых AVHRR, MODIS и другими сенсорами, что крайне важно для исследований изменения климата.

Кроме того, данные SST сенсора VIIRS будут использоваться при моделировании глобальных и региональных океанических процессов, в том числе для прогнозирования течений.

VIIRS и наблюдения за облачностью. Облака покрывают около 70% планеты ежедневно. Они влияют на количество солнечного света, достигающего поверхности, и регулируют количество излучаемой в космическое пространство солнечной и тепловой энергии.

С 1980-хгг. полярно-орбитальные метеорологические спутники ведут непрерывную съемку в различных длинах волн для получения информации об облачности в глобальном масштабе. Они могут определять высоту верхней границы облаков, термодинамическое состояние (водяные или ледяные частицы), делать оценку микрофизических и оптических свойств, которые являются индикатором количества воды или льда в облачном слое.

Данные об облачности, полученные инструментами VIIRS и CrIS, служат для решения большого спектра задач. Например, информация об облачности нужна производителям энергии от солнечных батарей для оптимизации их работы. Информация об облачности все чаще используется для краткосрочного прогнозировании текущей погоды и моделирования климатических процессов, для определения вероятности осадков и неблагоприятных погодных условий.

Поскольку создание таких моделей требует, чтобы продукты были доступны сразу после получения данных, обработка этих данных должна быть оперативной и эффективной. Кроме того, данные об облачности используются для построения климатических моделей, и для этого нужны ряды наблюдений за десятилетия.

Исторически сложилось так, что информацию об облачности поставлял радиометр AVHRR и инфракрасный радар HIRS (High resolution InfraRed Sounder). Спутники NASA Aqua и Terra предоставляют такие данные с помощью сенсора MODIS и радара AIRS (Atmospheric Infrared Sounder). Со временем технология, лежащая в основе этих приборов совершенствовалась, и им на смену пришли VIIRS и CrIS.

VIIRS будет предоставлять информацию об облаках аэрозольных частицах и о земной поверхности с пространственным разрешением около 750 м для большинства спектральных каналов. Спектральный диапазон данных VIIRS включает в себя интервал от ультрафиолетовых волн (0,45 мкм) до инфракрасных (12 мкм).

CrIS — гиперспектральный (более 1000 спектральных каналов) сенсор, который предоставит дополнительную информацию об облаках, особенно в полярных районах.

VIIRS и наблюдения за земной поверхностью. VIIRS продолжит наблюдения за земной поверхностью, начатые радиометрами AVHRR и MODIS, существенно улучшив их параметры. Значимость этих систем заключается в постоянной ежедневной съемке Земли на протяжении длительного времени, данные которой используются для описания и мониторинга земной поверхности от регионального до глобального уровня. MODIS обеспечивает новый подход к дистанционному зондированию Земли из космоса с низким пространственным разрешением. Эта тенденция будет продолжена с использованием сенсора VIIRS. Хотя основная задача инструмента VIIRS заключается в удовлетворении потребностей метеорологов, бóльшая часть возможностей MODIS для наблюдения за земной поверхностью сохранена.

Можно выделить четыре основные области использования данных VIIRS: энергетический и водный балансы; наблюдение за растительным покровом; земельные ресурсы и земплепользование; криосфера.

Наблюдение за энергетическим и водным балансом включает измерение альбедо поверхности, фотосинтетически активной радиации, температуры земной поверхности, суммарного испарения и т. д. Эти данные используются при климатических исследованиях и создании гидрологических моделей.

По данным, получаемым с сенсора VIIRS, будут поставляться продукты для наблюдения за динамикой изменения растительности, в том числе за фенологией, такие, как Vegetation Index (Вегетационный индекс), Leaf Water Content (Содержание воды в листьях) и Leaf Area Index (LAI; Индекс листовой поверхности). Эти продукты используются для создания глобальных моделей динамики растительности, содержания углекислого газа, сельскохозяйственного производства.

Изучение почвенно-растительного покрова обеспечат продукты Land Cover (Почвенно-растительный покров) и Fire (Пожары). Вышеупомянутые продукты также могут использоваться в качестве основного источника данных для климатических моделей, количественной оценки нарушений растительного покрова, моделирования вредных выбросов в результате сгорания биомассы. Для изучения крио-сферы предусмотрены продукты Snow (Снег) и Ice (Лед), которые позволяют вести наблюдения за сезонной изменчивостью снежного и ледового (как наземного, так и морского) покровов, а также предоставлять данные для построения гидрологических моделей. Перечень продуктов на базе VIIRS, которые будут доступны пользователям, приведен в табл. 1.

Таблица 1. Перечень информационных продуктов сенсора VIIRS спутника NPP

t1

t1-1

t1-2

t1-3

t1-4

t1-5

 

Оценивая планируемые оперативные продукты наблюдения за земной поверхностью, которые будут создаваться на базе данных VIIRS (Environmental Data Records), разработчики предполагают, что для научных исследований понадобятся новые и усовершенствованные продукты. Для этого обобщается опыт использования данных MODIS. Данные VIIRS будут дополнять данные MODIS, касающиеся мониторинга пожаров и качества воздуха, сельскохозяйственного мониторинга, создания моделей содержания углекислого газа, наводнений, картографирования морских льдов. При подготовке статьи использованы материалы веб-сайтов NASA (jointmission.gsfc.nasa.gov), NOAA и др.(www. nesdis.noaa.gov/jpss)