Les nuages et le système d'énergie radiante de la Terre - Clouds and the Earth's Radiant Energy System
Clouds and the Earth's Radiant Energy System ( CERES ) est une expérience climatologique de la NASA en cours depuis l'orbite terrestre . Les CERES sont des instruments satellitaires scientifiques, faisant partie du système d'observation de la Terre (EOS) de la NASA , conçus pour mesurer à la fois le rayonnement solaire réfléchi et le rayonnement émis par la Terre depuis le sommet de l' atmosphère (TOA) jusqu'à la surface de la Terre. Les propriétés des nuages sont déterminées à l'aide de mesures simultanées effectuées par d'autres instruments EOS tels que le spectroradiomètre imageur à résolution modérée (MODIS). Les résultats du CERES et d'autres missions de la NASA, comme l' Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), pourraient conduire à une meilleure compréhension du rôle des nuages et du cycle de l' énergie dans le changement climatique mondial .
Objectifs scientifiques
L'expérimentation CERES a quatre objectifs principaux :
- Poursuite de l'enregistrement ERBE des flux radiatifs au sommet de l'atmosphère (TOA) pour l' analyse du changement climatique .
- Doubler la précision des estimations des flux radiatifs à TOA et à la surface de la Terre.
- Fournir les premières estimations globales à long terme des flux radiatifs dans l'atmosphère terrestre.
- Fournir des estimations des propriétés des nuages qui sont cohérentes avec les flux radiatifs de la surface à la TOA.
Chaque instrument CERES est un radiomètre doté de trois canaux : un canal à ondes courtes (SW) pour mesurer la lumière solaire réfléchie dans la région de 0,2 à 5 µm , un canal pour mesurer le rayonnement thermique émis par la Terre dans la « fenêtre » ou « WN » de 8 à 12 µm. région, et un canal Total pour mesurer tout le spectre du rayonnement terrestre sortant (> 0,2 µm ). L'instrument CERES était basé sur l' expérience réussie du bilan radiatif de la Terre qui a utilisé trois satellites pour fournir des mesures du bilan énergétique mondial de 1984 à 1993.
Étalonnage absolu au sol
Pour une mission d'enregistrement de données climatiques (CDR) comme CERES, la précision est d'une grande importance et est obtenue pour les mesures nocturnes dans l'infrarouge pur grâce à l'utilisation d'un corps noir traçable SI de laboratoire au sol pour déterminer les gains radiométriques totaux et WN. Ce n'était cependant pas le cas pour les canaux solaires CERES tels que SW et la partie solaire du télescope Total, qui n'ont pas de chaîne directe ininterrompue vers la traçabilité SI. En effet, les réponses solaires CERES ont été mesurées au sol à l'aide de lampes dont l'énergie de sortie a été estimée par un détecteur de référence à cryocavité, qui utilisait un télescope Cassegrain en argent identique aux appareils CERES pour correspondre au champ de vision de l'instrument satellite. La réflectivité de ce télescope construit et utilisé depuis le milieu des années 1990 n'a jamais été réellement mesurée, estimée uniquement sur la base d'échantillons témoins (voir slide 9 de Priestley et al. (2014)). De telles difficultés dans l'étalonnage au sol, combinées à des événements suspects de contamination au sol ont entraîné la nécessité de faire des changements inexpliqués sol-vol dans les gains du détecteur SW aussi grands que 8%, simplement pour que les données ERB semblent quelque peu raisonnables pour la science du climat (note que CERES revendique actuellement une précision absolue un sigma SW de 0,9 %).
Étalonnage en vol
La résolution spatiale CERES en vue nadir (diamètre équivalent de l'empreinte) est de 10 km pour CERES sur TRMM, et de 20 km pour CERES sur les satellites Terra et Aqua . La stabilité de l'étalonnage, ou la capacité à suivre et à partitionner les changements instrumentaux à partir des données de la Terre, afin de suivre le véritable changement climatique en toute confiance, est peut-être plus importante pour des missions telles que CERES. Les sources d' étalonnage embarquées CERES destinées à atteindre cet objectif pour les canaux mesurant la lumière solaire réfléchie comprennent les diffuseurs solaires et les lampes au tungstène. Cependant, les lampes ont un rendement très faible dans la région importante des longueurs d'onde ultraviolettes où la dégradation est la plus importante et on a vu qu'elles dérivent en énergie de plus de 1,4 % lors d'essais au sol, sans possibilité de les surveiller en orbite (Priestley et al. (2001 )). Les diffuseurs solaires se sont également fortement dégradés en orbite, de sorte qu'ils ont été déclarés inutilisables par Priestley et al. (2011). Une paire de cavités du corps noir qui peuvent être contrôlées à différentes températures sont utilisées pour les canaux Total et WN, mais celles-ci ne se sont pas avérées stables à mieux que 0,5%/décennie. Les observations dans l'espace froid et l'étalonnage interne sont effectués pendant les balayages normaux de la Terre.
Missions
Premier lancement
Le premier module de proto-vol (PFM) de l'instrument CERES a été lancé à bord de la mission de mesure des précipitations tropicales (TRMM) de la NASA en novembre 1997 depuis le Japon . Cependant, cet instrument n'a pas fonctionné après 8 mois en raison d'une défaillance du circuit embarqué.
CERES sur les satellites de mission EOS et JPSS
Six autres instruments CERES ont été lancés sur le Earth Observing System et le Joint Polar Satellite System . Le satellite Terra, lancé en décembre 1999, en transportait deux (Flight Module 1 (FM1) et FM2) et le satellite Aqua, lancé en mai 2002, en transportait deux autres (FM3 et FM4). Un cinquième instrument (FM5) a été lancé sur le satellite Suomi NPP en octobre 2011 et un sixième (FM6) sur NOAA-20 en novembre 2017. Avec l'échec du PFM sur TRMM et la perte en 2005 du canal SW de FM4 sur Aqua , cinq des modules de vol CERES sont pleinement opérationnels en 2017.
Instruments de bilan radiatif
Les mesures des instruments CERES devaient être complétées par le Radiation Budget Instrument (RBI) qui devait être lancé sur le Joint Polar Satellite System -2 (JPSS-2) en 2021, JPSS-3 en 2026 et JPSS-4 en 2031. le projet a été annulé le 26 janvier 2018 ; La NASA a cité des problèmes techniques, de coûts et de calendrier et l'impact de la croissance prévue des coûts de RBI sur d'autres programmes.
Modes de fonctionnement
CERES fonctionne selon trois modes de balayage : à travers la trajectoire du satellite au sol (cross-track), le long de la direction de la trajectoire du satellite au sol (long-track) et dans un plan d'azimut rotatif (RAP). En mode RAP, les radiomètres balayent en élévation lorsqu'ils tournent en azimut , acquérant ainsi une mesure de radiance à partir d'une large gamme d'angles de vision. Jusqu'en février 2005, sur les satellites Terra et Aqua , l'un des instruments CERES balayait en mode cross-track tandis que l'autre était en mode RAP ou long-track. L'instrument fonctionnant en mode de balayage RAP prenait deux jours de données le long de la trajectoire chaque mois. Cependant, les données CERES multi-angulaires ont permis de dériver de nouveaux modèles qui tiennent compte de l' anisotropie de la scène vue, et permettent la récupération du flux radiatif TOA avec une précision accrue.