雲と地球の放射エネルギーシステム

雲と地球の放射エネルギーシステム（CERES ）は、 NASAが地球周回軌道から行っている気候学実験です。^{[1] [2]} CERESはNASAの地球観測システム（EOS）の一部である科学衛星機器であり、大気圏上層（TOA）から地球表面までの太陽光反射放射と地球放射放射の両方を測定するように設計されています。雲の特性は、中分解能撮像分光放射計（MODIS）などの他のEOS機器による同時測定を使用して決定されます。^[3] CERESと地球放射収支実験（ERBE）などの他のNASAミッションの結果^{[4]により、}地球のエネルギー不均衡（EEI）をよりリアルタイムで追跡し、地球規模の気候変動における雲の役割をよりよく理解できるようになります。^{[1] [5][アップデート]}

CERES 実験には 4 つの主な目的があります。

• 気候変動分析のための大気上端(TOA)における放射フラックスの ERBE 記録の継続。
• TOA と地球表面における放射フラックスの推定精度が2 倍になります。
• 地球の大気圏内の放射フラックスに関する初の長期的な地球規模の推定値を提供します。
• 地表から TOA までの放射フラックスと一致する雲特性の推定値を提供します。

CERES の各機器は、3 つのチャネルを持つ放射計です。0.2～5 μm領域で反射太陽光を測定する短波 (SW) チャネル、8～12 μmの「ウィンドウ」または「WN」領域で地球から放射される熱放射を測定するチャネル、および放射される地球放射の全スペクトル (>0.2 μm ) を測定する合計チャネルです。CERES 機器は、 1984 年から 1993 年にかけて 3 つの衛星を使用して地球全体のエネルギー収支を測定した、成功した地球放射収支実験に基づいています。^[6]

最初の CERES 機器プロトフライトモジュール (PFM) は、 1997 年 11 月に日本からNASA 熱帯降雨観測ミッション(TRMM)に搭載されて打ち上げられました。しかし、この機器は搭載回路の故障により 8 か月後に動作しなくなりました。

さらに6つのCERES機器が地球観測システムと共同極衛星システムで打ち上げられた。1999年12月に打ち上げられたTerra衛星には2つ（フライトモジュール1（FM1）とFM2）が搭載され、2002年5月に打ち上げられたAqua衛星にはさらに2つ（FM3とFM4）が搭載された。5つ目の機器（FM5）は2011年10月にSuomi NPP衛星で、6つ目の機器（FM6）は2017年11月にNOAA-20で打ち上げられた。TRMMのPFMの故障と、2005年にAquaのFM4のSWチャネルが失われたため、2017年現在、完全に運用されているCERESフライトモジュールは5つとなっている。^{[7] [8]}

CERES機器の測定は、 2021年に共同極地衛星システム-2（JPSS-2）、2026年にJPSS-3、2031年にJPSS-4で打ち上げられる放射線予算機器（RBI）によってさらに進められる予定でした^。[8]このプロジェクトは2018年1月26日に中止されました。NASAは、技術、コスト、スケジュールの問題と、予想されるRBIコストの増加が他のプログラムに与える影響を理由に挙げました。^[9]

NASAは2020年2月に、2027年末までにJPSS-3で打ち上げる機器としてLiberaを選定したことを発表しました。^[10] Liberaはデータの継続性と最新の機能を提供することが計画されています。LASPが機器の主導的な開発を行っています。^[11]

CERES は、衛星の地上軌道を横切る(クロストラック)、衛星の地上軌道の方向に沿った (アロングトラック)、回転方位面 (RAP) の 3 つのスキャン モードで動作します。RAP モードでは、放射計は方位方向に回転しながら仰角方向にスキャンするため、さまざまな視野角から放射輝度の測定値が得られます。2005 年 2 月まで、 TerraおよびAqua衛星では、CERES 機器の 1 つがクロストラック モードでスキャンされ、もう 1 つは RAP モードまたはアロングトラック モードでスキャンされていました。RAP スキャン モードで動作する機器は、毎月 2 日間のアロングトラック データを取得していました。しかし、多角度 CERES データにより、表示されるシーンの異方性を考慮した新しいモデルを導き出すことができ、精度を高めて TOA 放射フラックスを取得できるようになりました。^[12]

CERESの機器はすべて太陽同期軌道上にある。60 °Sと60°Nの間の類似の静止データも「バランスのとれた補完」データ製品に適用され、放射予算の1日あたりの完全な表現を提供し、CERES観測時間間の雲の変化を考慮している。^[13]

CERESの機器は、測定の安定性と精度を向上させるように設計されましたが、絶対的な精度を長期にわたって達成し確保することも、継続的な課題として残っています。 ^[14] CERESは地球のTOA放射フラックスを全球的に相対的な精度で監視するより高度な機能を備えていますが、EEIの絶対的な大きさを推定する唯一の実用的な方法（2020年現在）は、気候システムにおけるエネルギーの変化のインベントリを使用することです。^{[15]そのため、CERESデータ製品内の重要な制約は、ある時点でのEEIを数年間の}ARGOデータ に対応する値に固定することです。^[13]

CERESのような気候データ記録（CDR）ミッションでは、精度が非常に重要であり、地上実験室のSIトレーサブル黒体を使用して全周波およびWNチャネルの放射ゲインを決定することにより、純粋な赤外線夜間測定の精度が達成されます。ただし、これは、SIトレーサビリティへの直接の途切れないチェーンがない、全周望遠鏡のSWや太陽部分などのCERES太陽チャネルには当てはまりませんでした。これは、CERES太陽応答が地上でランプを使用して測定されたためです。このランプの出力エネルギーは、衛星機器の視野に一致するようにCERESデバイスと同一の銀カセグレン望遠鏡を使用したクライオキャビティ参照検出器によって推定されました。1990年代半ば以降に構築および使用されているこの望遠鏡の反射率は実際に測定されたことはなく、目撃サンプルに基づいてのみ推定されました^[16]（Priestleyら（2014）^[17]のスライド9を参照）。地上での較正の困難さと地上での汚染の疑い^[18]が相まって、SW検出器のゲインにおける地上から飛行までの説明のつかない変化を8%にも達させる必要が生じ^[19] 、単にERBのデータが気候科学にとってある程度妥当なものに見えるようにする必要が生じました（CERESは現在、1シグマのSW絶対精度が0.9%であると主張していることに留意してください^[14]）。

CERES の直下視での空間分解能 (フットプリントの等価直径) は、TRMM 搭載の CERES では 10 km、TerraおよびAqua衛星搭載の CERES では 20 km です。CERES などのミッションにとっておそらくより重要なのは、較正の安定性、つまり地球データから機器の変化を追跡して分割し、真の気候変動を自信を持って追跡できる能力です。反射太陽光を測定するチャネルでこれを実現することを目的とした CERES 搭載較正光源には、ソーラー ディフューザーとタングステン ランプがあります。ただし、ランプは劣化が最も大きい重要な紫外線波長領域での出力が非常に低く、地上テストでは 1.4% 以上エネルギーがドリフトすることが確認されていますが、軌道上で監視することはできません (Priestley ら (2001) ^[20] )。ソーラー ディフューザーも軌道上で大幅に劣化したため、Priestley ら (2011) によって使用不可と宣言されました。^[21]異なる温度に制御できる一対の黒体空洞がTotalチャンネルとWNチャンネルに使用されていますが、これらは0.5％/10年よりも安定していることが証明されていません。 ^[18] 冷たい宇宙の観測と内部較正は、通常の地球スキャン中に実行されます。

データは、異なるミッション衛星のCERES機器間で比較されるほか、付随する分光放射計（例：AquaのMODIS）からのスキャン基準データとも比較される。計画されているCLARREO Pathfinderミッションは、CERESを含むいくつかの既存のEOS機器に最先端の基準を提供することを目指している。^[14]

2005年から2019年にかけての地球のエネルギー不均衡（EEI）の年間変化に関する研究では、CERESの観測と、アルゴフロートネットワークによる海洋熱吸収の現場測定から推定されたEEIとの間に良好な一致が見られました。 ^[22]宇宙高度測定と重力測定を組み合わせて 、全球海洋熱吸収、氷の融解、海面上昇を測定した同時並行の2つの研究でも同様の一致が見られました。^{[23] [24]}

ウィキメディア・コモンズには、雲と地球の放射エネルギーシステム (CERES)に関連するメディアがあります。

• 地球のエネルギー予算
• 静止地球放射予算
• 放射測定
• リモートセンシング

• NASA CERES公式サイト
• CERESデータ製品
• NASA EOSの旗艦であるテラ衛星
• アクア衛星、NASA EOS
• VISIBLE EARTH、CERES 画像のカタログ