Отработка методики измерения содержания парниковых газов в эксперименте Русалка на МКС

ОСО (Orbiting Carbon Observatory) GOSAT (IBUKI) (Greenhouse gases Observing SATellite) РУСАЛКА (Ручной Спектральный Анализатор Компонент Атмосферы) Масса400 кг1,5 тонны3.3 кг Разрешение200000,2 см (0.4 см -1 для длины волны 1.6 мкм) Полосы 0,76 мкм (О 2 ) 1,58 мкм (CO 2 ) 2,05 мкм (CO 2 ) 0,76 мкм (О 2 ) 1,6 мкм (CO 2 ) 2,0 мкм (CO 2 ) мкм 1,58 мкм (CO 2 ) 1,65 мкм (CH 4 ) 1,27 мкм (O 2 ) 1,31 мкм (Н 2 О ) От 200 до 400 измерений CO 2 на градус широты. Детектирование облаков и аэрозоля: Изображающий спектрометр УФ, видимого, и ближнего ИК диапазонов SWIR радиометр

«РУСАЛКА» (Ручной Спектральный Анализатор Компонент Атмосферы)

Оптическая схема спектрометра Русалка

Измеряемые полосы поглощения

Трассы наблюдений Произведено 75 сеансов наблюдений : 62 – спектра поглощения атмосферы 11 – солнечного спектра, 2 – темнового сигнала

Пример вариации величины сигнала в зависимости от облачности и типа подстилающей поверхности

Внешние данные: в качестве климатических параметров для решения обратной задачи, измерение которых недоступно в ходе проведения эксперимента, использовались данные реанализа Европейского центра прогноза погоды ECMWF Приповерхностные значения давления, температуры, водяного пара (в вертикальном столбе) и альбедо Вертикальные профили от давления температуры, относительной влажности (37 слоев) Модель переноса излучения: синтетические спектры атмосферы в ближнем ИК диапазоне были получены с помощью высокоточного полинейного кода LBLRTM (Line-By-Line Radiative Transfer Model). Его алгоритмическая точность приблизительно равна 0.5%, и ошибки, связанные с вычислительными процессами, на пять порядков меньше ошибок, связанных с параметрами линий, так что ограничение ошибок приписывается к параметрам и форме линий Спектроскопическая информация: LBLRTM использует данные HITRAN 2008 за исключением параметров некоторых линии (в частности H 2 O, CO 2, CH 4 и O 2 ), которые показали лучшую совместимость с реальными спектрами, чем содержащиеся в HITRAN

Исследование влияния изменения параметров при моделировании синтетических спектров на глубины линий поглощения Стандартное отклонение для полосы CH 4, см -1 Изменение температуры, -2%0.06% Изменение температуры, +2%0.06% Изменение давления, -2%2.8% Изменение давления, +2%2.9% Модель аэрозоля «Невидимые перистые облака» 2.9% Модель аэрозоля «Перистые облака» 17.0% Модель аэрозоля «без облаков и дождя» 2.1%

Наложение континуумов одного газа на полосы поглощения других Континуум какого газа Какое пропускание в полосе данного газа за счет поглощения в указанном континууме CH 4 CO 2 Н2ОН2ОO2O2 CH , есть полоса 0.999, есть отдельные линии CO , есть отдельные линии Н2ОН2О O2O , есть отдельные линии -

Цель: точность измерения концентрации СO ppm (0.7%) Источники ошибок и критерии отбора спектров для восстановления (по результатам проектов Русалка и GOSAT) : 1.Отсутствие облачности в поле зрения прибора 2.Отбор спектров над сушей, так как сигнал над океаном очень мал 3.Высокое отношение сигнал/шум (>30) 4.Учет аэрозоля (для точности 0.5% в СO 2 точность оптической толщи аэрозоля ) и невидимых перистых облаков (точность в о.т для суши и для солнечного блика) 5.Солнечный зенитный угол 1% 6.Не учитывать спектры, снятые над горами, так как наклон поверхности противоречит приближению плоскопараллельной атмосферы 7.При фитировании методом Х 2 отбросить спектры с Х 2 >5, что говорит о расхождении модельного и реального спектров 8.Трудность представляют спектры, снятые над городами и Сахарой из-за неизвестного вертикального профиля и состава аэрозоля 9.Измерение CO 2 /O 2 уменьшает общую ошибку благодаря высокой степени корреляции этих полос относительно величин рассеяния и воздушной массы 10.Одновременное восстановление CO 2 и CН 4, так как континуум CO 2 присутствует в полосе поглощения CН 4

Итоги Количество относительно удачных наблюдений составляет не более 24%, а число значимых спектров в них не превышает %. Как оказалось в ходе обработки данных спектрометра, при съеме темнового сигнала, АОПФ отключался не полностью и входящее излучение частично фильтровалось Отсутствие верного темнового сигнала и малое количество измеренных спектров не дали каких-либо весомых результатов восстановления. Для сравнения, по результатам GOSAT количество спектров без облачности составило 7%, а прошедших все критерии отбора всего 3%, то есть необходимы долговременные и регулярные наблюдения с орбиты