ميزانية الإشعاع الأرضي الثابت بالنسبة للأرض

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مقياس ميزانية إشعاع الأرض الثابت بالنسبة للأرض (GERB [ 1 ] ) هو جهاز مُثبّت على متن أقمار Meteosat من الجيل الثاني التابعة للمنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية ( EUMETSAT ) ، وهو مصمم لإجراء قياسات دقيقة لميزانية إشعاع الأرض . وقد طُوّر هذا الجهاز من قِبل اتحاد أوروبي يضم المملكة المتحدة وبلجيكا وإيطاليا . أُطلق أول جهاز، المعروف باسم GERB 2، في 28 أغسطس 2002 على متن صاروخ أريان 5. وأُطلق الثاني، GERB 1، في 21 ديسمبر 2005، والثالث، GERB 3، في 5 يوليو 2012. أما الجهاز الأخير، GERB 4، فقد أُطلق في 14 يوليو 2015. يقع جهاز GERB 2، الذي أُطلق لأول مرة على متن القمر MSG 1، حاليًا فوق المحيط الهندي عند خط طول 41.5 درجة شرقًا، بينما لا يزال جهازا GERB 1 وGERB 3، اللذان يُثبّتان على متن القمرين MSG 2 وMSG 3، يقعان فوق الموقع القياسي للمنظمة في أفريقيا . أما جهاز GERB 4، الذي يُثبّت على متن القمر MSG، فلم يبدأ تشغيله بعد.

الدوافع والأهداف العلمية

إن المعدل غير المسبوق لزيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي منذ الثورة الصناعية نتيجة للنشاط البشري يُثير قلقًا بالغًا لدى العلماء، إذ حدث بوتيرة أسرع بعشر مرات مما شهده كوكب الأرض من قبل. وتُعد نماذج المناخ ، المعروفة بنماذج الدوران العالمي (GCMs)، حاليًا وسيلةً لدراسة ومحاولة التنبؤ بكيفية تغير مناخ الأرض استجابةً لهذا المعدل غير المسبوق من التغير. تتفق هذه النماذج الحاسوبية إلى حد كبير على العديد من التنبؤات حول كيفية "إجبار" المناخ على التحول إلى حالة مختلفة بفعل هذه التغيرات، ولكن لا يزال هناك الكثير من الاختلاف، وتحديدًا حول كيفية تأثير هذا التأثير على " التغذية الراجعة " في النظام. على سبيل المثال، ستؤدي زيادة ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة ظاهرة الاحتباس الحراري ، مما ينتج عنه غلاف جوي أكثر دفئًا وذوبان أكبر للجليد القطبي. ومع ذلك، من المعروف أن الغلاف الجوي الأكثر دفئًا يمكن أن يحتوي، على سبيل المثال، على كمية أكبر من بخار الماء عند نفس الرطوبة النسبية ، وأن ذوبان الجليد القطبي الأبيض العاكس للضوء سيكشف المحيط المفتوح لأشعة الشمس. بما أن بخار الماء يُعدّ غازًا دفيئًا قويًا، وبما أن المحيط المتجمد الشمالي المظلم يمتص ضوء الشمس أكثر من الجليد العائم ذي الانعكاس العالي، فمن المفهوم جيدًا أن هاتين الظاهرتين تمثلان ردود فعل إيجابية تُسرّع من وتيرة الاحتباس الحراري. ولعلّ الجانب الأقل فهمًا في تغير المناخ يتعلق بالغيوم، وكيفية تغيرها استجابةً للاحترار الجوي الناتج عن زيادة ثاني أكسيد الكربون . تُعرف هذه التأثيرات مجتمعةً باسم التأثير الإشعاعي للغيوم .لم يُفهم بعدُ كلٌّ من التدفق الإشعاعي للأرض (CRF) والتغذية الراجعة فهمًا كافيًا يسمح بالتنبؤ بدقةٍ ما إذا كانت تأثيراتهما المحتملة ستكون إيجابيةً في مجملها، فتُسرّع الاحتباس الحراري، أم سلبيةً، فتُبطئه. وتُعدّ أنشطة نظام الطقس/المناخ على الأرض في جوهرها عملًا يقوم به محرك حراري عالمي، حيث تأتي الحرارة الداخلة إليه من الطاقة الشمسية الممتصة، بينما تأتي الحرارة الخارجة منه من انبعاثات الأشعة تحت الحمراء الحرارية عائدةً إلى الفضاء. ويُشار إلى هذين التدفقين الإشعاعيين بمكونات الموجات القصيرة (SW للشمس) والموجات الطويلة (LW للأشعة تحت الحمراء) فيما يُعرف بميزانية إشعاع الأرض (ERB). وبطبيعة الحال، يتطلب قياس الحرارة الداخلة قياس الموجات القصيرة المنعكسة وطرحها من التدفق الشمسي الوارد. لذا، تُؤثر السحب تأثيرًا كبيرًا على ميزانية إشعاع الأرض نظرًا لانعكاسها العالي للموجات القصيرة الشمسية وامتصاصها القوي للموجات الطويلة الحرارية الخارجة. لا يمكن قياس تدفقات إشعاع الأرض على مستوى العالم إلا من المدار، وقد جُمعت هذه البيانات منذ سبعينيات القرن الماضي بواسطة بعثات من الولايات المتحدة وأوروبا، وبشكل مكثف منذ عام 1998 بواسطة أجهزة نظام رصد السحب وطاقة الأرض الإشعاعية (CERES) التابعة لناسا في مدار أرضي منخفض . مع ذلك، لا ترصد هذه المنصات المدارية أي نقطة من الأرض إلا مرتين يوميًا كحد أقصى، بينما يحدث تكوّن السحب وتعديل إشعاع الأرض على نطاق زمني لا يتجاوز الدقائق (انظر الشكل 1). لذا، ورغم أهمية هذه القياسات المدارية المنخفضة لتتبع التغيرات العالمية في إشعاع الأرض، لا يمكن استخدامها مباشرةً للتحقق من صحة عمليات المحاكاة الحاسوبية للتغيرات في تكوّن السحب الحملية وتبددها استجابةً مباشرةً للاحترار السطحي الحتمي الناتج عن زيادة ثاني أكسيد الكربون ، وما إلى ذلك. ولمعالجة هذا القصور في نظام رصد الأرض، شرع الاتحاد الأوروبي بين المملكة المتحدة وبلجيكا وإيطاليا في مشروع ميزانية إشعاع الأرض الثابتة بالنسبة للأرض (GERB)، بهدف وضع مقياس إشعاع أرض عالي الدقة على متن منصات ميتيوسات من الجيل الثاني (MSG) ذات الاستقرار الدوراني.

جهاز GERB ومعايرته

يقود مشروع GERB فريق الفضاء والغلاف الجوي (SPAT) التابع لكلية إمبريال كوليدج في المملكة المتحدة، وكان البروفيسور جون إي. هاريس الباحث الرئيسي الأصلي ، وخلفته الدكتورة هيلين بريندلي. وقد صُممت الأجهزة في مختبر رذرفورد أبليتون باستخدام تلسكوب فضي إيطالي ثلاثي المرايا، وإلكترونيات من تصميم مركز علوم الفضاء بجامعة ليستر في المملكة المتحدة. وخضعت كل من أجهزة GERB الأربعة المكتملة لمعايرة إشعاعية أرضية شاملة في غرفة معايرة فراغية (VCC) في مرفق رصد الأرض وتوصيفها (EOCF)، التابع أيضاً لكلية إمبريال كوليدج، والذي صممه راي ريجلي. وشملت هذه الاختبارات تأكيد الخطية، وتحديد كسب الإشعاع في نطاق الموجات الطويلة باستخدام أجسام سوداء دافئة وباردة (WBB & CBB)، وتحديد كسب الموجات القصيرة باستخدام مصباح مصدر المعايرة المرئي (VISCS)، بالإضافة إلى فحوصات موضعية على الاستجابة الطيفية للنظام.

يستخدم كل جهاز GERB مصفوفة خطية من كواشف حرارية سوداء اللون من إنتاج شركة هانيويل، والتي تُوجّه نحو الأرض مع كل دورة لمنصة MSG بسرعة 100 دورة في الدقيقة، وذلك باستخدام مرآة عكس المسح (DSM). وبالتالي، يتم التقاط صورة لعمود من قرص الأرض في كل دورة، مما يسمح بأخذ 250 × 256 عينة من القنوات الكلية، تليها 250 × 256 عينة من الموجات القصيرة مع وجود مرشح الكوارتز في مكانه كل 5 دقائق (أي أن الطور النسبي لمرآة عكس المسح بالنسبة لدوران منصة MSG يتغير قليلاً مع كل دورة، انظر الشكل 4 أسفل اليمين). في كل دورة، ترى الكواشف أيضًا الجسم الأسود الداخلي (IBB) وجهاز مراقبة المعايرة (CalMon) للسماح بالتحديث المستمر لتغيرات كسب الموجات الطويلة والقصيرة. وقد استلزم وضع الجهاز بالقرب من أطراف منصة MSG الدوارة التي يبلغ عرضها 3 أمتار تصميمًا دقيقًا لجهاز GERB ليتحمل قوة الطرد المركزي الثابتة البالغة 16g التي يتعرض لها أثناء دوران مرآة عكس المسح.

كل 15 دقيقة، وبعد التقاط ثلاث صور كاملة لقرص الأرض، باستخدام مصفوفات 250×256 من كلٍّ من مصفوفات التصوير الكلي والموجات القصيرة، يتم الحصول على نتيجة اصطناعية للموجات الطويلة من متوسط ​​الفرق بين الصورتين. تُدمج نتائج GERB هذه مع تحسين الدقة واسترجاع بيانات السحب باستخدام جهاز التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء المحسّن الدوار (SEVIRI)، الموجود أيضًا على منصة MSG. تطلّب دمج بيانات GERB وSEVIRI من خلال تكامل البيانات رسم خرائط تفصيلية لكلٍّ من استجابات مجال رؤية كاشف/تلسكوب GERB البالغ عددها 256، أو دالة انتشار النقطة (PSF، انظر Matthews (2004) [ 2 ] ). تم ذلك باستخدام ليزر هيليوم-نيون مُتحكَّم به حاسوبيًا لرسم خرائط استجابات كلٍّ من الـ 256 من المقاييس الحرارية بعد تغطيتها بطبقة من الذهب الأسود. يمكن الاطلاع على التفاصيل الكاملة لمعايرة GERB الأرضية في Matthews (2003). [ 3 ] يتطلب تحليل الاستجابة الطيفية، أو قياس الامتصاص النسبي عند أطوال موجية مختلفة للضوء لكل كاشف من كواشف GERB، معالجة الإشارة الخام لكل مجموعة حرارية. تستخدم هذه العملية نماذج نقل الإشعاع لتقدير الشكل الطيفي لإشعاع مشهد معين، ومن ثم تقدير نسبة المعالجة، أو العامل اللازم لمراعاة عدم انتظام الاستجابة الطيفية. بالنسبة لكل جهاز GERB، يعتمد هذا على حاصل ضرب قياسات المختبر على مستوى الوحدة للإنتاجية الطيفية/الامتصاص للكاشف والتلسكوب وجهاز قياس الطيف الرقمي (DSM) ومرشح الكوارتز. تعتمد دقة نتائج GERB SW بشكل مباشر على جودة هذه القياسات، حيث يتم تحديد كسب SW باستخدام مصباح VISCS، الذي ينزاح طيفه بشكل ملحوظ نحو أطوال موجية أطول مقارنةً بطيف الشمس. وتُقدر دقة GERB حاليًا بنحو 2% وفقًا للمرجع [3]. يتم إجراء عملية إزالة التصفية هذه بواسطة المعهد الملكي للأرصاد الجوية في بلجيكا (RMIB)، إلى جانب التآزر مع بيانات SEVIRI والتحويل من الإشعاع إلى الإشعاع الشمسي باستخدام نماذج الاعتماد الزاوي (ADMs).

معايرة نظام GERB أثناء الطيران

في كل دورة من دورات جهاز GERB المئة في الدقيقة، يحصل كل كاشف على مسح ضوئي لكل من الجسم الأسود الداخلي (IBB) ومشتت الضوء الشمسي CalMon. ويتم تحديث الزيادة في عدد الفوتونات لكل واط / م² ستراديان ، بالإضافة إلى إزاحات كل بكسل من البكسلات الحرارية، بانتظام بناءً على درجة الحرارة المعروفة للجسم الأسود الداخلي وفرق إشارته عن إشارة جهاز Earthview. كان الهدف الأصلي هو استخدام صور CalMon لمشتت الضوء الشمسي المصنوع من الألومنيوم لتتبع التغيرات في معدل نفاذية الفوتونات الشمسية لجهاز GERB (انظر المعادلات [ 3 ] التي وضعها ج. مولر). ومع ذلك، تتغير مشتتات الضوء الشمسية أثناء الطيران ونفاذيتها لأشعة الشمس بشكل كبير في المدار، مما جعل ناسا تعتبر المشتتات الموجودة على متن CERES غير قابلة للاستخدام. [ 4 ] كما أن طبيعة كرة التكامل في CalMon تعني أن الفوتونات الشمسية من المحتمل أن تكون قد خضعت للعديد من الانعكاسات عن الألومنيوم في طريقها إلى تلسكوب GERB، مما قد يقلل الطاقة بشكل كبير عند انخفاض انعكاسية الألومنيوم عند 830 نانومتر بمقدار غير معروف. تشمل البدائل الممكنة لتتبع التغيرات في استجابة جهاز GERB للشمس مقارنته بأجهزة ERB أخرى، مثل جهاز CLARREO المقترح من ناسا ، أو ربما أجهزة أخرى ذات نطاق ترددي واسع، بافتراض التحقق من صحة معايرتها لاحقًا. [ 5 ] ومن الاحتمالات الأخرى استخدام صور القمر، كما هو الحال في مشروع SeaWIFS، لضمان استقرار نتائج الأرض (انظر الشكل 5). 

بيانات GERB

تتوفر بيانات GERB من موقع تنزيل GGSPS التابع لمختبر روثرفورد أبليتون أدناه، كما هو موضح في الرسوم المتحركة للشكل 6، والتي تعرض انعكاس الموجات القصيرة (يسارًا) وانبعاث الموجات الطويلة (يمينًا) من قرص الأرض بالكامل. تُظهر هذه الرسوم المتحركة تدفقات الموجات القصيرة والطويلة من GERB على مدار 24 ساعة، مما سيمكن علماء المناخ من التحقق من كيفية محاكاة نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (GCMs) لتكوّن السحب وتبددها، وتأثير ذلك على انعكاس الموجات القصيرة.

التآزر بين GERB-SEVIRI

بما أن تدفقات ERB من أجهزة CERES مقترنة ببيانات السحب المستخرجة من جهاز MODIS ، فقد كان الهدف دائمًا هو ربط قياسات GERB للأشعة تحت الحمراء القصيرة والطويلة بنتائج جهاز SEVIRI (جهاز التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء المحسن الدوار) الموجود على منصات MSG. بالإضافة إلى بيانات السحب/الهباء الجوي المستخرجة من جهاز SEVIRI ذي النطاق الضيق، تُدمج بيانات التصوير عالية الدقة المكانية مع دقة GERB لتحسين دقة تدفقات العوامل المؤثرة على المناخ، وذلك لتقييم محاكاة نماذج المناخ لتكوين السحب وتبددها بشكل أفضل، ومعرفة كيف يمكن أن تُسرّع أو تُبطئ من تغير المناخ. كما تُستخدم إشعاعات SEVIRI في عملية إزالة التصفية في GERB للمساعدة في تقدير الشكل الطيفي للمشهد المرصود.

الوصول إلى البيانات

بالإضافة إلى موقع تنزيل Rutherford GGSPS، يتم إنشاء مركز وصول جديد في مركز تحليل البيانات البيئية (CEDA)، والذي تم إدراجه أيضًا في عناوين URL أدناه والذي سيسمح بالوصول إلى ملفات GERB.

مراجع

  1. ↑ هاريس وآخرون  (2005). "مشروع ميزانية إشعاع الأرض الثابت بالنسبة للأرض" . نشرة الجمعية الأمريكية للأرصاد الجوية 86 ( 7 ): 945. رمز Bibcode : 2005BAMS...86..945H . doi : 10.1175/BAMS-86-7-945 . hdl : 2381/26453 .
  2. ↑ G. Matthews., "حساب استجابة التلسكوب الكاشف الثابتة أثناء الطيران عن طريق فك التشفير المطبق على دالة انتشار النقطة لتجربة ميزانية إشعاع الأرض الثابتة بالنسبة للأرض،" البصريات التطبيقية، المجلد 43، الصفحات 6313-6322، 2004.
  3. 1 2 ماثيوز (2003). "حساسية مقياس الإشعاع ERB في القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض لعدم تجانس المشهد والكاشف" (ملف PDF) . أطروحة دكتوراه من إمبريال كوليدج.
  4. ↑ بريستلي وآخرون (2010). "الأداء الإشعاعي لأجهزة استشعار سجل مناخ ميزانية إشعاع الأرض CERES على متن مركبتي الفضاء EOS Aqua وTerra حتى أبريل 2007" . مجلة تكنولوجيا الغلاف الجوي والمحيطات . 28 (1): 3. Bibcode : 2011JAtOT..28....3P . doi : 10.1175/2010JTECHA1521.1 . 
  5. ↑ بارفيت وآخرون (2016). "دراسة التطور الزمني لمعايرة الموجات القصيرة لجهاز GERB بالمقارنة مع بيانات CERES الإصدار 3A" . الاستشعار عن بعد للبيئة . 186 : 416-427 . Bibcode : 2016RSEnv.186..416P . doi : 10.1016/j.rse.2016.09.005 . hdl : 10044/1/40072 .