قياس درجة الحرارة عبر الأقمار الصناعية

يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لقياس كل من درجة حرارة السطح (باستخدام أطوال موجية "نافذة" يكون الغلاف الجوي شفافًا لها)، ودرجة حرارة الغلاف الجوي (باستخدام أطوال موجية لا يكون الغلاف الجوي شفافًا لها، أو قياس درجات حرارة قمم السحب في نوافذ الأشعة تحت الحمراء).

تتطلب الأقمار الصناعية المستخدمة لاستخلاص درجات حرارة سطح الأرض عبر قياس الأشعة تحت الحمراء الحرارية عمومًا ظروفًا خالية من السحب. ومن بين هذه الأجهزة: مقياس الإشعاع المتقدم عالي الدقة جدًا (AVHRR)، ومقاييس الإشعاع الماسحة على طول المسار (AASTR)، ومجموعة مقاييس الإشعاع التصويرية المرئية بالأشعة تحت الحمراء (VIIRS)، وجهاز قياس الصوت بالأشعة تحت الحمراء في الغلاف الجوي (AIRS)، ومطياف تحويل فورييه ACE (ACE-FTS) الموجود على متن القمر الصناعي الكندي SCISAT-1 . ^{[ 9 ]}

أصبحت الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية متاحة لاستنتاج معلومات درجة حرارة سطح البحر منذ عام 1967، مع ظهور أولى البيانات العالمية المركبة خلال عام 1970. ^{[ 10 ]} ومنذ عام 1982، ^{[ 11 ]} ازداد استخدام الأقمار الصناعية لقياس درجة حرارة سطح البحر، مما أتاح رؤية تغيراتها المكانية والزمانية بشكل أشمل. فعلى سبيل المثال، استُخدمت التغيرات في درجة حرارة سطح البحر التي رُصدت عبر الأقمار الصناعية لتوثيق تطور ظاهرة النينيو-التذبذب الجنوبي منذ سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 12 ]}

يُعدّ استخلاص درجة الحرارة من الإشعاعات فوق اليابسة أكثر صعوبةً بسبب عدم تجانس سطح الأرض. ^{[ 13 ]} وقد أُجريت دراسات حول ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية باستخدام صور الأقمار الصناعية. ^{[ 14 ]} وباستخدام تقنية الفراكتال، قام وينغ وآخرون بتوصيف النمط المكاني للجزر الحرارية الحضرية. ^{[ 15 ]} ويمكن استخدام صور الأقمار الصناعية بالأشعة تحت الحمراء عالية الدقة ، في حال عدم وجود غيوم، للكشف عن انقطاعات الكثافة ( الجبهات الهوائية ) مثل الجبهات الباردة على مستوى سطح الأرض. ^{[ 16 ]} وباستخدام تقنية دفوراك ، يمكن استخدام صور الأقمار الصناعية بالأشعة تحت الحمراء لتحديد فرق درجة الحرارة بين عين الإعصار وقمة السحابة في الغطاء السحابي الكثيف المركزي للأعاصير المدارية الناضجة، وذلك لتقدير أقصى سرعة رياح مستدامة وأدنى ضغط مركزي لها . ^{[ 17 ]}

تستطيع أجهزة قياس الإشعاع الماسحة على طول المسار، والموجودة على متن أقمار الأرصاد الجوية، رصد حرائق الغابات، التي تظهر ليلاً على شكل بكسلات ذات درجة حرارة أعلى من 308 كلفن (35 درجة مئوية؛ 95 درجة فهرنهايت) . ^{[ 18 ]} كما يستطيع جهاز قياس الإشعاع الطيفي التصويري متوسط ​​الدقة، الموجود على متن القمر الصناعي تيرا، رصد النقاط الساخنة المرتبطة بحرائق الغابات والبراكين والمناطق الصناعية الساخنة. ^{[ 19 ]}   

يستخدم جهاز قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء الموجود على متن القمر الصناعي أكوا ، والذي تم إطلاقه في عام 2002، تقنية الكشف بالأشعة تحت الحمراء لقياس درجة الحرارة القريبة من سطح الأرض. ^{[ 20 ]}

تُجرى قياسات درجة حرارة الستراتوسفير باستخدام أجهزة وحدة قياس الستراتوسفير (SSU)، وهي عبارة عن أجهزة قياس إشعاع بالأشعة تحت الحمراء (IR) ثلاثية القنوات. ^{[ 21 ]} ولأنها تقيس انبعاثات الأشعة تحت الحمراء من ثاني أكسيد الكربون، فإن عتامة الغلاف الجوي تكون أعلى، وبالتالي تُقاس درجة الحرارة على ارتفاع أعلى (الستراتوسفير) مقارنةً بقياسات الموجات الميكروية.

منذ عام 1979، وفرت وحدات قياس الستراتوسفير (SSUs) الموجودة على الأقمار الصناعية التشغيلية التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) بيانات شبه عالمية لدرجة حرارة الستراتوسفير فوق الطبقة السفلى منه. وحدة قياس الستراتوسفير عبارة عن مطياف للأشعة تحت الحمراء البعيدة يستخدم تقنية تعديل الضغط لإجراء القياس في ثلاث قنوات ضمن نطاق امتصاص ثاني أكسيد الكربون عند 15 ميكرومتر. تستخدم القنوات الثلاث نفس التردد ولكن بضغوط مختلفة لخلايا ثاني أكسيد الكربون، حيث تبلغ ذروة دوال الترجيح المقابلة 29  كيلومترًا للقناة الأولى، و37  كيلومترًا للقناة الثانية، و45  كيلومترًا للقناة الثالثة. ^{[ 22 ]}

أثبتت عملية استخلاص الاتجاهات من قياسات وحدات رصد الستراتوسفير (SSUs) صعوبتها البالغة بسبب انحراف الأقمار الصناعية، والمعايرة المتبادلة بين الأقمار المختلفة ذات التداخل المحدود، وتسرب الغاز في خلايا ضغط ثاني أكسيد الكربون الخاصة بالأجهزة. علاوة على ذلك، ولأن الإشعاعات المقاسة بواسطة وحدات رصد الستراتوسفير ناتجة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فإن دوال الترجيح تنتقل إلى ارتفاعات أعلى مع ازدياد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الستراتوسفير. تُظهر درجات حرارة منتصف الستراتوسفير إلى أعلاه اتجاهًا سلبيًا قويًا يتخلله ارتفاع مؤقت في درجات الحرارة بسبب النشاط البركاني بعد ثورات بركان إل تشيتشون وجبل بيناتوبو ، ولم يُلاحظ سوى القليل من تغيرات درجات الحرارة منذ عام 1995. وقد حدث أكبر قدر من التبريد في الستراتوسفير الاستوائي، بما يتوافق مع تعزيز دوران بروير-دوبسون في ظل ازدياد تركيزات غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 23 ]}

يعود تبريد الطبقة السفلى من الستراتوسفير بشكل رئيسي إلى تأثيرات استنفاد الأوزون ، مع احتمال مساهمة زيادة بخار الماء في الستراتوسفير وارتفاع انبعاثات الغازات الدفيئة. ^{[ 24 ] [ 25 ]} وقد شهدت درجات حرارة الستراتوسفير انخفاضًا، تخللته فترات ارتفاع في درجات الحرارة مرتبطة بالانفجارات البركانية. وتشير نظرية الاحتباس الحراري إلى أن الستراتوسفير يجب أن يبرد بينما ترتفع درجة حرارة التروبوسفير . ^{[ 26 ]}

حدث التبريد طويل الأمد في الطبقة السفلى من الستراتوسفير على مرحلتين هبوطيتين في درجة الحرارة، وذلك بعد الاحترار المؤقت المرتبط بالانفجارات البركانية لبركان إل تشيتشون وجبل بيناتوبو . وقد عُزي هذا السلوك لدرجة حرارة الستراتوسفير العالمية إلى تغير تركيز الأوزون العالمي في العامين التاليين للانفجارات البركانية. ^{[ 27 ]}

منذ عام 1996، أصبح الاتجاه إيجابياً بشكل طفيف ^{[ 28 ]} نتيجة لتعافي طبقة الأوزون، في حين أن اتجاه التبريد بمعدل 0.1 كلفن/عقد يتوافق مع التأثير المتوقع لزيادة غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 27 ]}

يوضح الجدول أدناه اتجاه درجة حرارة الستراتوسفير من قياسات SSU في النطاقات الثلاثة المختلفة، حيث يشير الاتجاه السلبي إلى التبريد.

منذ عام 1979 وحتى عام 2005، قامت وحدات قياس الموجات الميكروية (MSUs)، ومنذ عام 1998 قامت وحدات قياس الموجات الميكروية المتقدمة على متن أقمار NOAA الصناعية للأرصاد الجوية ذات المدار القطبي، بقياس شدة إشعاع الموجات الميكروية الصاعد من الأكسجين الجوي . تتناسب هذه الشدة طرديًا مع درجة حرارة الطبقات الرأسية العريضة للغلاف الجوي . ويتم قياس الإشعاع الصاعد عند ترددات مختلفة؛ حيث تمثل نطاقات التردد المختلفة هذه عينات من نطاقات مرجحة مختلفة من الغلاف الجوي. ^{[ 30 ]}

يوضح الشكل 3 (على اليمين) مستويات الغلاف الجوي التي تم أخذ عينات منها بواسطة عمليات إعادة بناء الأطوال الموجية المختلفة من قياسات الأقمار الصناعية، حيث يمثل TLS وTTS وTTT ثلاثة أطوال موجية مختلفة.

تستخدم المركبة الفضائية أورا تقنية مختلفة ، وهي جهاز قياس الموجات الدقيقة للأطراف ، والذي يقيس انبعاثات الموجات الدقيقة أفقياً، بدلاً من توجيهها نحو نقطة النظير. ^{[ 9 ]}

تُجرى قياسات درجة الحرارة أيضًا عن طريق تقنية التغطية الراديوية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) . ^{[ 31 ]} تقيس هذه التقنية انكسار الموجات الراديوية التي تبثها أقمار GPS الصناعية أثناء انتشارها في الغلاف الجوي للأرض، مما يسمح بقياس التوزيع الرأسي لدرجة الحرارة والرطوبة.