قياسات درجة الحرارة باستخدام وحدة قياس درجة الحرارة بالميكروويف

يُقاس الإشعاع الصاعد عند ترددات مختلفة؛ حيث تمثل نطاقات التردد المختلفة هذه عينات من نطاقات مرجحة مختلفة من الغلاف الجوي. ^{[ 3 ]} ولأن الغلاف الجوي معتم جزئيًا وليس كليًا، فإن السطوع المقاس هو متوسط ​​عبر نطاق من الغلاف الجوي، ويعتمد على عمق اختراق الموجات الميكروية. ^{[ 4 ]} تُعطى درجة حرارة السطوع (TB) التي يقيسها القمر الصناعي بالمعادلة التالية _: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle T_{B}=W(0)T(0)+\int \limits _{0}^{TOA}W(z)T(z)\,dz}$

أين${\displaystyle W(0)}$هو وزن السطح،${\displaystyle T(0)}$و${\displaystyle T(z)}$هي درجات الحرارة على السطح وعلى مستوى الغلاف الجوي${\displaystyle z}$و${\displaystyle W(z)}$هي دالة الترجيح الجوي.

يعتمد كل من الوزن السطحي والوزن الجوي على انبعاثية السطح${\displaystyle e_{S}}$معامل الامتصاص${\displaystyle \kappa (z)}$وزاوية سقوط الأرض${\displaystyle {\theta }}$وزن السطح هو ناتج${\displaystyle e_{S}}$وعامل التوهين:

${\displaystyle W(0)=e_{S}e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }}$

حيث يمثل الحد القاطع ثيتا اعتماد طول المسار البصري على الزاوية الرأسية، و${\displaystyle \tau }$هو العمق البصري:

${\displaystyle \tau =\int \limits _{z1}^{z2}\kappa (z)dz}$

وظائف الترجيح الجوي${\displaystyle W(z)}$يمكن كتابتها على النحو التالي:

${\displaystyle W(z)=\kappa (z)\sec \theta e^{-\tau (z,\infty )\sec \theta }+\kappa (z)\sec \theta e^{-\tau (0,z)\sec \theta }(1-e_{S})e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }}$

يرتبط الحد الأول في هذه المعادلة بالإشعاع المنبعث لأعلى من المستوى${\displaystyle z}$وتضعف على طول المسار إلى أعلى الغلاف الجوي (∞)، وتشمل الثانية الإشعاع المنبعث لأسفل من المستوى z إلى السطح (0) والإشعاع المنعكس من السطح (يتناسب مع${\displaystyle e_{S}}$) إلى أعلى الغلاف الجوي، الشكل الدقيق لـ${\displaystyle W(z)}$يعتمد ذلك على درجة الحرارة وبخار الماء ومحتوى الماء السائل في الغلاف الجوي.

لا تُستخدم قناة MSU رقم 1 لرصد درجة حرارة الغلاف الجوي لأنها حساسة للغاية للانبعاثات من السطح، علاوة على ذلك فهي ملوثة بشدة ببخار الماء/الماء السائل في الطبقة السفلى من التروبوسفير. ^{[ 10 ]}

القناة 2 أو TMT تمثل بشكل عام طبقة التروبوسفير ، على الرغم من وجود تداخل كبير مع طبقة الستراتوسفير السفلى؛ وظيفة الترجيح لها أقصى قيمة لها عند 350 هكتوباسكال (ما يعادل  ارتفاع حوالي 8 كم) ^{[ 11 ]} ونصف الطاقة عند حوالي 40 و800 هكتوباسكال (ما يعادل تقريبًا 2-22  كم).

يوضح الشكل 3 (على اليمين) مستويات الغلاف الجوي التي تم قياسها بأطوال موجية مختلفة من قياسات الأقمار الصناعية، حيث يمثل كل من TLS وTTS وTTT ثلاثة أطوال موجية مختلفة. تجدر الإشارة إلى أن أدنى قياس، TTT، يشمل سطوع كل من الانبعاثات الجوية والسطحية. يمثل كل من TMT وTLT نطاق الارتفاع المحسوب لدرجة حرارة التروبوسفير السفلي باستخدام نموذج الغلاف الجوي كما هو موضح أدناه.

تمثل قناة T4 أو TLS درجة الحرارة في الطبقة السفلى من الستراتوسفير مع وظيفة ترجيح قصوى عند حوالي 17  كم فوق سطح الأرض.

حساب درجة حرارة التروبوسفير السفلي

في محاولة لاستخلاص بيانات للارتفاعات المنخفضة وإزالة تأثير الستراتوسفير ، طوّر العديد من الباحثين منتجات اصطناعية تطرح قيم الارتفاعات العالية من قياس أدنى ارتفاع (TMT). تعتمد تقنية تحليل البيانات هذه على نمذجة تأثير الارتفاع على درجة الحرارة. مع ذلك، تُضخّم هذه العملية التشويش، ^{[ 5 ]} وتزيد من انحرافات معايرة الأقمار الصناعية ، وتُعزز التلوث السطحي. ^{[ 6 ]} طوّر سبنسر وكريستي المنتج الاصطناعي "2LT" (الذي أُعيدت تسميته لاحقًا إلى "TLT") عن طريق طرح الإشارات عند زوايا رؤية مختلفة؛ ويبلغ هذا المنتج ذروته عند حوالي 650 هكتوباسكال. وقد مرّ منتج 2LT بالعديد من الإصدارات نتيجةً لتطبيق تصحيحات مختلفة. وقد طوّر فو وجوهانسون منهجية أخرى مماثلة ^{[ 12 ]} ، حيث تمثل قناة TTT (درجة حرارة التروبوسفير الكلية) توليفة خطية من قناتي TMT وTLS: TTT = 1.156 * TMT - 0.153 * TLS للمتوسط ​​العالمي، وTTT = 1.12 * TMT - 0.11 * TLS عند خطوط العرض الاستوائية.

أخذ العينات اليومية

تنحرف جميع أجهزة مرصد جامعة ولاية ميشيغان، وإلى حد أقل جهاز مرصد جامعة ولاية ميشيغان الأوسط، ببطء عن وقت عبور خط الاستواء المتزامن مع الشمس، مما يُغير التوقيت المحلي الذي يرصده الجهاز، وبالتالي قد يتداخل التغير اليومي الطبيعي مع الاتجاه طويل المدى. ويبلغ تصحيح أخذ العينات اليومي بضعة أجزاء من مئة من درجة مئوية لكل عقد لجهازي TLT وTMT.

انحلال المدار

تفقد جميع الأقمار الصناعية التي تدور في مدارات قطبية ارتفاعها بعد الإطلاق، ويكون التدهور المداري أقوى خلال فترة النشاط الشمسي المرتفع عندما تعمل الأشعة فوق البنفسجية المعززة على تدفئة الغلاف الجوي العلوي وزيادة الاحتكاك فوق المركبة الفضائية.

يؤدي اضمحلال المدار إلى تغيير زاوية رؤية الجهاز بالنسبة للسطح وبالتالي انبعاثية الميكروويف المرصودة، علاوة على ذلك يتم إنشاء السلسلة الزمنية طويلة المدى عن طريق الدمج المتسلسل لبيانات الأقمار الصناعية المعايرة بحيث يتم جمع الخطأ بمرور الوقت، والتصحيح المطلوب هو في حدود 0.1  درجة مئوية/عقد لـ TLT.

تغييرات المعايرة

بمجرد كل مسح للأرض، تستخدم أجهزة MSU الفضاء العميق (2.7 كلفن) والأهداف الدافئة الموجودة على متن المركبة لإجراء قياسات المعايرة، ولكن مع انجراف المركبة الفضائية خلال الدورة اليومية، قد تتغير درجة حرارة هدف المعايرة بسبب اختلاف تأثير التظليل الشمسي، ويكون التصحيح في حدود 0.1  درجة مئوية لكل عقد بالنسبة لـ TLT و TMT.

من بين سجلات درجات الحرارة التي تم رصدها عبر الأقمار الصناعية والتي حظيت بتغطية إعلامية واسعة، تلك التي طورها روي سبنسر وجون كريستي في جامعة ألاباما في هنتسفيل (UAH). يستند هذا السجل إلى بيانات من سلسلة من الأقمار الصناعية المختلفة، وتُعدّ مشاكل المعايرة المتبادلة بين هذه الأقمار ذات أهمية بالغة، لا سيما القمر الصناعي NOAA-9، الذي يُفسّر معظم الاختلاف بين تحليلات RSS وUAH. ^{[ 13 ]} وقد لعب القمر الصناعي NOAA-11 دورًا هامًا في دراسة أجراها ميرز وآخرون عام 2005، حيث كشف عن خطأ في التصحيح اليومي أدى إلى زيادة بنسبة 40% في اتجاه سبنسر وكريستي من الإصدار 5.1 إلى 5.2. ^{[ 14 ]}

للمقارنة بين بيانات جامعة ولاية ميشيغان (MSU) واتجاهات سجل درجة حرارة السطح، من الأنسب استخلاص الاتجاهات لجزء الغلاف الجوي الأقرب إلى السطح، أي التروبوسفير السفلي . وكما ذُكر سابقًا، فإن أدنى قيمة مُستخلصة لدرجة الحرارة، وهي TLT، ليست قياسًا مباشرًا، بل قيمة تُحسب بطرح درجة حرارة السطوع عند الارتفاعات الأعلى من القياسات عند الارتفاعات الأدنى. أما الاتجاهات المُستخلصة من مجموعتي UAH وRSS، والموضحة في الجدول أدناه، فقد حُسبت بطرق مختلفة قليلًا، مما ينتج عنه قيم مختلفة للاتجاهات.

باستخدام قناة T2 أو TMT (التي تتضمن مساهمات كبيرة من طبقة الستراتوسفير التي بردت)، وجد ميرز وآخرون من أنظمة الاستشعار عن بعد (RSS) (حتى يناير 2017) اتجاهًا قدره +0.140  درجة مئوية لكل عقد. ^{[ 16 ]} ووجد سبنسر وكريستي من جامعة ألاباما في هنتسفيل (UAH) اتجاهًا أصغر قدره +0.08  درجة مئوية لكل عقد. ^{[ 17 ]}

عند مقارنة هذه القياسات بنماذج درجة حرارة السطح، من المهم ملاحظة أن القيم الناتجة لقياسات طبقة التروبوسفير السفلى التي أجراها مختبر جامعة ولاية ميشيغان هي متوسط ​​مرجح لدرجات الحرارة على ارتفاعات متعددة (من 0 إلى 12  كم تقريبًا)، وليست درجة حرارة سطحية (انظر TLT في الشكل 3 أعلاه). وبالتالي، لا يمكن مقارنة النتائج بدقة بنماذج درجة حرارة السطح.

يُقدّم مركز تطبيقات وأبحاث الأقمار الصناعية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي/خدمة معلومات الأقمار الصناعية الوطنية (NOAA/NESDIS STAR) تحليلاً آخر لدرجات الحرارة باستخدام الأقمار الصناعية، حيث يستخدم عمليات المرور المتزامنة فوق نقطة النظير (SNO) ^{[ 25 ]} لإزالة انحرافات المعايرة بين الأقمار الصناعية، مما يُتيح الحصول على اتجاهات أكثر دقة لدرجات الحرارة. ويُشير تحليل STAR-NOAA إلى اتجاه تصاعدي قدره +0.129 درجة مئوية لكل عقد خلال الفترة 1979-2016  لقناة TMT. ^{[ 20 ]}

باستخدام تعديل بديل لإزالة التلوث الستراتوسفيري، ^{[ 26 ]} وُجدت اتجاهات للفترة 1979-2011 بلغت +0.14  درجة مئوية/عقد عند تطبيقها على مجموعة بيانات RSS و+0.11 درجة مئوية/عقد عند تطبيقها على مجموعة بيانات UAH. ^{[ 27 ]} 

توصل تحليل أجرته جامعة واشنطن إلى اتجاهات للفترة 1979-2012 بلغت +0.13  درجة مئوية لكل عقد عند تطبيقها على مجموعة بيانات RSS و+0.10  درجة مئوية لكل عقد عند تطبيقها على مجموعة بيانات UAH. ^{[ 28 ]}

في عام 2013، أشار كوتان وواي ^{[ 29 ] [ 30 ]} إلى أن متوسطات درجات الحرارة العالمية المستندة إلى بيانات درجة حرارة سطح الأرض قد تنطوي على مصدر محتمل للتحيز نتيجة عدم اكتمال التغطية العالمية، إذا لم تكن المناطق غير المشمولة بالبيانات موزعة بشكل متجانس على سطح الكوكب. وقد عالجا هذه المشكلة بدمج قياسات درجة حرارة سطح الأرض مع بيانات الأقمار الصناعية لاستكمال التغطية. وخلال الفترة الزمنية من 1979 إلى 2016، وبدمج بيانات HadCRUT4 السطحية مع تغطية الأقمار الصناعية التابعة لجامعة ألاباما في هنتسفيل (UAH)، أظهرا اتجاهًا عالميًا نحو ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض بمقدار 0.188  درجة مئوية لكل عقد. ^{[ 31 ]}

إلى جانب تصحيح وينتز وشابل، ^{[ 38 ]} أُثيرت شكوك في وقت مبكر من عام 2000 حول تحليل UAH من خلال عمل برابهاكارا وآخرون، ^{[ 43 ]} الذي قلل من الأخطاء الناتجة عن انجراف الأقمار الصناعية. ووجدوا اتجاهًا قدره 0.13  درجة مئوية/عقد، وهو ما يتوافق بشكل معقول مع الاتجاهات السطحية.

منذ أول إصدار للنتائج في تسعينيات القرن الماضي، أُجريت عدة تعديلات على الخوارزمية المستخدمة لحساب بيانات UAH TLT. ^{[ 44 ] [ 8 ]} يمكن الاطلاع على جدول التصحيحات في مقالة بيانات درجة حرارة الأقمار الصناعية الخاصة بـ UAH .

للمقارنة مع الاتجاه المُستخلص من سجل درجة حرارة سطح الأرض (+0.161±0.033  درجة مئوية/عقد من عام 1979 إلى عام 2012 وفقًا لمركز دراسات الفضاء التابع لناسا ^{[ 45 ]} )، من الأنسب استخلاص الاتجاهات لجزء الغلاف الجوي الأقرب إلى السطح، أي طبقة التروبوسفير السفلى . وذلك حتى ديسمبر 2019:

• يُظهر اتجاه درجة الحرارة الخطي المُعاد بناؤه بواسطة RSS ارتفاعًا في درجة الحرارة بمقدار +0.208  درجة مئوية لكل عقد. ^{[ 46 ] [ 18 ]}
• يُظهر الاتجاه الخطي لدرجة الحرارة لإعادة بناء UAH للفترة 1979-2019 ارتفاعًا في درجة الحرارة بمقدار +0.13  درجة مئوية لكل عقد، ^{[ 47 ] [ 22 ]}

تتوقع نماذج المناخ أنه مع ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض، سترتفع درجة حرارة طبقة التروبوسفير العالمية أيضًا. عالميًا، من المتوقع أن ترتفع درجة حرارة طبقة التروبوسفير (عند ارتفاع TLT الذي يقيسه جهاز قياس الصوت التابع لجامعة ولاية ميشيغان) بنحو 1.2 ضعف ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض؛ وفي المناطق الاستوائية، من المتوقع أن ترتفع درجة حرارة طبقة التروبوسفير بنحو 1.5 ضعف ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض. مع ذلك، أشار تقرير برنامج دراسة تغير المناخ لعام 2005 إلى أن استخدام تقنيات تحديد البصمات على البيانات أظهر أن "البصمات البركانية والبشرية لم تكن قابلة للتحديد بشكل متسق في أنماط تغير معدل التدرج الحراري المرصودة". (حيث يشير "معدل التدرج الحراري" إلى تغير درجة الحرارة مع الارتفاع). وعلى وجه الخصوص، لوحظ تناقض محتمل في المناطق الاستوائية، وهي المنطقة التي من المفترض أن يكون فيها تضخيم التروبوسفير أكثر وضوحًا. وقد ذكروا ما يلي:

في المناطق الاستوائية، يعتمد التوافق بين النماذج والملاحظات على النطاق الزمني المُعتمد. ففيما يخص التغيرات الشهرية والسنوية، تُظهر النماذج والملاحظات تضخيمًا ( أي أن التغيرات الشهرية والسنوية تكون أكبر في طبقات الجو العليا منها على سطح الأرض). ويعود ذلك إلى ظواهر فيزيائية بسيطة نسبيًا، تتمثل في تأثيرات إطلاق الحرارة الكامنة عند صعود الهواء وتكثفه في السحب. ويتشابه مقدار هذا التضخيم بشكل كبير بين النماذج والملاحظات. أما على النطاقات الزمنية التي تمتد لعقود أو أكثر، فبينما تُظهر جميع عمليات محاكاة النماذج تقريبًا ارتفاعًا أكبر في درجات الحرارة في طبقات الجو العليا (مما يعكس العمليات الفيزيائية نفسها التي تحدث على النطاقين الزمنيّين الشهري والسنوي)، تُظهر معظم الملاحظات ارتفاعًا أكبر في درجات الحرارة على سطح الأرض.

قد تنشأ هذه النتائج إما لأن تأثيرات التضخيم في "العالم الحقيقي" على المدى القصير والطويل تخضع لآليات فيزيائية مختلفة، وتعجز النماذج عن رصد هذا السلوك؛ أو لأن التأثيرات غير المناخية المتبقية في بعض أو كل مجموعات بيانات التروبوسفير المرصودة تؤدي إلى اتجاهات طويلة الأجل متحيزة؛ أو مزيج من هذه العوامل. وترجح الأدلة الجديدة الواردة في هذا التقرير التفسير الثاني.

تُقدّم أحدث نماذج محاكاة المناخ نتائج متباينة بشأن تغيرات متوسط ​​درجة الحرارة العالمية. تُظهر بعض النماذج ارتفاعًا أكبر في درجة حرارة طبقة التروبوسفير مقارنةً بسطح الأرض، بينما يُظهر عدد أقل من المحاكاة سلوكًا معاكسًا. لا يوجد تناقض جوهري بين نتائج هذه النماذج والملاحظات على المستوى العالمي، ^{[ 48 ]} حيث تتشابه الاتجاهات الآن.

على الصعيد العالمي، تُظهر معظم نماذج المناخ التي استخدمتها الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ في إعداد تقييمها الثالث عام 2007 ارتفاعًا طفيفًا في درجة حرارة طبقة التروبوسفير السفلى مقارنةً بسطح الأرض (  بفرق 0.03 درجة مئوية لكل عقد) للفترة 1979-1999 ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]،} بينما يبلغ اتجاه معهد جودارد لدراسات الفضاء +0.161  درجة مئوية لكل عقد للفترة من 1979 إلى 2012 ^{[ 45 ].} أما اتجاهات طبقة التروبوسفير السفلى المحسوبة من بيانات الأقمار الصناعية بواسطة جامعة ألاباما في هنتسفيل وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، فتبلغ +0.130  درجة مئوية لكل عقد ^{[ 22 ]} و+0.206  درجة مئوية لكل عقد ^{[ 18 ] .}

يُعدّ اتجاه درجة حرارة الطبقة السفلى من التروبوسفير، المُستمد من بيانات أقمار جامعة ألاباما في هنتسفيل (+0.128  درجة مئوية/عقد)، أقل حاليًا من اتجاهات كلٍّ من شبكة محطات رصد سطح الأرض التابعة لمعهد جودارد لدراسات الفضاء ومركز هادلي (+0.161 و+0.160  درجة مئوية/عقد على التوالي)، بينما يُشابه اتجاه محطة رصد سطح الأرض (+0.158  درجة مئوية/عقد). مع ذلك، إذا كان الاتجاه المتوقع في الطبقة السفلى من التروبوسفير أعلى بالفعل من اتجاه سطح الأرض، فبالنظر إلى بيانات سطح الأرض، سيبلغ اتجاه التروبوسفير حوالي 0.194  درجة مئوية/عقد، مما يجعل اتجاهي جامعة ألاباما في هنتسفيل ومحطة رصد سطح الأرض يُمثلان 66% و81% من القيمة المتوقعة على التوالي.

على الرغم من أن بيانات الأقمار الصناعية تُظهر الآن ظاهرة الاحتباس الحراري، إلا أنه لا يزال هناك بعض الاختلاف بين ما تتوقعه نماذج المناخ وما تُظهره بيانات الأقمار الصناعية فيما يتعلق بارتفاع درجة حرارة الطبقة السفلى من التروبوسفير، حيث تتوقع نماذج المناخ ارتفاعًا طفيفًا في درجة الحرارة يفوق ما تقيسه الأقمار الصناعية. ^{[ 51 ]}

أظهرت كل من مجموعة بيانات جامعة ألاباما في هنتسفيل (UAH) ومجموعة بيانات RSS اتجاهًا عامًا نحو الاحترار منذ عام 1998، مع أن بيانات UAH تُظهر احترارًا أقل قليلًا من بيانات RSS. في يونيو 2017، أصدرت RSS الإصدار الرابع (v4) الذي زاد بشكل ملحوظ من حدة الاتجاه الملحوظ في بياناتها، مما زاد من الفارق بين اتجاهات RSS وUAH. ^{[ 52 ]}

تُظهر القياسات الجوية التي تم الحصول عليها بواسطة تقنية قياس فضائية مختلفة، وهي جهاز قياس الأشعة تحت الحمراء الجوية على متن القمر الصناعي أكوا ، توافقًا وثيقًا مع البيانات السطحية. ^{[ 53 ]}