Förberedelserna för uppskjutningen av den nya jordobservationssatelliten EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) i slutet av maj är i full gång. Det gemensamma uppdraget för European Space Agency (ESA) och Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) kommer att mäta moln, aerosol och strålning mer exakt än någonsin tidigare. Detta kommer att möjliggöras genom att länka samman fyra toppmoderna instrument.
Tre så kallade processorer, som Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) har utvecklat tillsammans med partners, ger ett viktigt bidrag till uppdraget. Dessa algoritmer har nu beskrivits i detalj i ett specialnummer av tidskriften Atmospheric Measurement Techniques .
Den nya mjukvaran gör det möjligt att härleda molnegenskaper från den passiva spektrometern (MSI), aerosol- och molnskikten från den aktiva, högspektrala upplösningen lidar (ATLID) samt synergetiska moln- och aerosolprodukter från båda instrumenten. En aerosolklassificeringsmodell (HETEAC) utvecklades som grund för aerosoltypning för att säkerställa att dessa beräkningar fungerar över de olika enheterna.
EarthCARE kommer att vara den första att kombinera en högspektral-upplöst lidar och en dopplermolnradar med passiva sensorer, vilket gör det till det mest komplexa satellituppdrag som någonsin lanserats i rymden för att studera aerosol, moln och deras strålningseffekter. Utvecklingen av EarthCARE tog mer än 15 år och kostade cirka 800 miljoner euro.
Satelliten erbjuder stora möjligheter för vetenskapen:den senaste tekniken ombord tillhandahåller en mängd olika data som kommer att förbättra klimatmodellernas noggrannhet och stödja numeriska väderförutsägelser.
EarthCARE-satelliten, som är 17,2 meter lång, 2,5 meter bred, 3,5 meter hög och väger cirka 2 200 kilo, monterades av den tyska huvudentreprenören Airbus i Friedrichshafen, testades omfattande tillsammans med ESA och transporterades sedan med flyg till Vandenberg (Kalifornien, USA). ), där den kommer att skjutas upp i sin målbana på en höjd av 393 kilometer av en Falcon 9-raket från det amerikanska rymdföretaget SpaceX i slutet av maj.
Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) är utrustad med fyra instrument:en dopplermolnradar, en lidar med hög spektral upplösning, en avbildningsspektrometer och en bredbandsradiometer med tre olika visningsriktningar. Instrumenten kommer att ge synergistiska observationer av aerosol, moln, strålning och deras interaktioner med oöverträffad noggrannhet.
Ett av uppdragets mål är att stämma av de uppmätta och beräknade strålningsflödena på toppen av atmosfären för en ögonblicksbild på 100 kvadratkilometer med en noggrannhet på 10 watt per kvadratmeter, vilket avsevärt skulle förbättra kunskapen om global strålningskraft.
EarthCARE-data beräknas nästan i realtid (nästan i realtid) med hjälp av en sofistikerad databehandlingskedja. Lidaren ger vertikala profiler och därmed ett tvärsnitt av atmosfären längs satellitens flygbana.
Ur detta härleder de algoritmer som utvecklats vid TROPOS molntoppshöjden och höjden på aerosollager, som till exempel kan bestå av saharadamm eller rök från stora skogsbränder. Dessa algoritmer är också kända som processorer i teknisk jargong och är mjukvaruhjärtat i dataanalys.
Förutom lidar gör avbildningsspektrometern det möjligt att karakterisera atmosfären med hjälp av en horisontell, 150 km bred bild av moln- och aerosolegenskaper. De mikro- och makrofysiska molnegenskaperna, såsom molnets optiska tjocklek, molndroppsradien och molntoppshöjden, bestäms med en annan processor utvecklad av TROPOS.
Den tredje processorn som utvecklats vid TROPOS kombinerar den höjdupplösta informationen från lidaren med den horisontella informationen från spektrometern för att erhålla en förbättrad tredimensionell bild av atmosfären längs flygbanan för den jordkretsande satelliten. Aerosolklassificering i alla EarthCARE-algoritmer är baserad på HETEAC-modellen (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).
"HETEAC-aerosolklassificeringsmodellen utvecklad av TROPOS tillsammans med partners spelar en central roll i behandlingen av data eftersom den säkerställer att enheterna talar samma språk så att säga och att deras data ger en enhetlig helhetsbild", förklarar Dr. . Ulla Wandinger från TROPOS, som ledde utvecklingen av denna modell.
Men analysen av lidar- och spektrometerdata inkluderar också flera decennier av know-how inom moln- och aerosolobservation från TROPOS.
"Hämtningsmetoderna som utvecklats i våra processorer kommer att säkerställa att kvaliteten på molnet och aerosoldata kommer att förbättras avsevärt", rapporterar Dr. Anja Hünerbein, som spelade en nyckelroll i utvecklingen av mjukvaran för den passiva spektrometern.
Forskare från TROPOS i Leipzig har inte bara arbetat med programvaran, utan kommer också att vara med och kontrollera och kalibrera data. Detta beror på att noggrann validering av mätningarna är nödvändig för att uppnå de ambitiösa vetenskapliga målen för EarthCARE-uppdraget.
Den europeiska forskningsinfrastrukturen ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) spelar en stor roll i valideringsprocessen. ACTRIS fjärranalysstationer är idealiskt utrustade för detta ändamål:Standardutrustningen, bestående av en högpresterande lidar och en solfotometer för aerosolmätningar samt en dopplerradar och en mikrovågsradiometer för molnmätningar, tillsammans med ACTRIS kvalitetssäkring koncept, möjliggör en detaljerad genomgång av alla EarthCARE aerosol- och molnprodukter.
"Arbetsflöden för observation, databearbetning och tillhandahållande av data i nästan realtid har redan utvecklats och utförts testade. Till sommaren anordnar vi en kampanj med över 40 stationer som kommer att pågå i flera månader", säger Dr Holger Baars från TROPOS, som koordinerar kampanjen. Förutom TROPOS-stationerna i Leipzig (Tyskland), Mindelo (Cabo Verde) och Dushanbe (Tadzjikistan), kommer även många ACTRIS-stationer i hela Europa att vara involverade.
De omfattande valideringsinsatserna som utförs av TROPOS och många internationella forskarlag tjänar till att exakt kontrollera de utvecklade processorerna och de uppmätta variablerna som bestämts med dem. Först då kommer det verkligen att bli tydligt hur väl egenskaperna hos aerosoler och moln och deras strålningseffekter kan bestämmas av EarthCARE och hur de globalt uppmätta data kan användas för att förbättra vår förståelse av atmosfären.
Europas nya "öga" i rymden kommer att kunna se de komplicerade interaktionerna mellan moln, aerosol och strålning tydligare och mer exakt än någonsin med hjälp av markstationerna.
Mer information: Robin J. Hogan et al, Förord till specialnumret "EarthCARE Level 2 algorithms and data products":Redaktionell till minne av Tobias Wehr, Atmospheric Measurement Techniques (2024). DOI:10.5194/amt-17-3081-2024
Tillhandahålls av Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS)
