静止地球放射予算

静止地球放射収支（GERB ^{[1] ）は、} EUMETSATの第二世代静止衛星 メテオサットに搭載された機器であり、地球放射収支の正確な測定を行うように設計されています。これは、英国、ベルギー、イタリアからなる欧州コンソーシアムによって製造されました。最初のGERB 2は、2002年8月28日にアリアン5ロケットで打ち上げられました。2番目のGERB 1は2005年12月21日に、3番目のGERB3は2012年7月5日に打ち上げられました。最後のGERB 4デバイスは、2015年7月14日に打ち上げられました。最初に打ち上げられたMSG 1のGERB 2は現在、インド洋の東経41.5度に位置しており、MSG 2と3のGERB 1と3は、依然としてEUMETSATの標準的なアフリカの位置にあります。MSGのGERB 4はまだ運用されていません。

産業革命以来、人間の活動が原因で大気中の CO2 が前例のない速度で増加しており、科学者たちはこれを地球が経験したことのないほどの速さで懸念している_。現在、地球の気候がこのような前例のない速度で変化していく様子を調査、予測する手段として、全球循環モデル(GCM)と呼ばれる気候モデルが利用されている。このようなコンピュータ モデルでは、気候がこのような変化によってどのように「強制的に」異なる状態にされるかについての予測は概ね一致しているが、より具体的には、このような強制がシステムへの「フィードバック」にもどのようにつながるかについては、依然として多くの意見の相違がある。たとえば、CO2 が増加すると_温室効果が高まり、大気が温暖化して北極の氷がより多く溶ける。しかし、大気が温暖化すると、相対湿度が同じでも水蒸気の量が多くなることや、反射率の高い北極の白い氷が溶けて外洋が太陽光にさらされることが知られている。水蒸気はそれ自体が非常に強力な温室効果ガスであり、暗い北極海は反射率の高い浮氷よりも多くの太陽光を吸収するため、これらは両方とも地球温暖化の速度を加速させる正のフィードバックであることが十分に理解されています。気候変動の最も理解されていない側面は、おそらく雲と、二酸化炭素の増加による大気の直接的な温暖化に応じて雲がどのように変化するかです_。総じて雲強制力または雲放射強制力 (CRF) およびフィードバックと呼ばれるこれらの効果は、考えられるフィードバックが全体として正で地球温暖化を加速させるのか、負で地球温暖化を遅らせるのかを確実に予測できるレベルまではまだ理解されていません。地球の気象/気候システムの作用は、基本的に地球規模の熱機関による仕事であり、熱は吸収されたすべての太陽エネルギーから入り、熱は宇宙への熱赤外線放射から出ます。これら 2 つの放射フラックスは、地球放射予算 (ERB、当然のことながら、熱を測るには反射された SW を測定し、入射する太陽フラックスから差し引く必要があります) の短波 (太陽光の SW) と長波 (IR の LW) の成分と呼ばれます。したがって、雲は太陽 SW の反射率が高く、放射される熱 LW を強く吸収するため、ERB に大きな影響を与えます。地球全体で ERB フラックスを測定できるのは軌道からのみで、1970 年代から米国とヨーロッパのミッションによって収集されており、1998 年以降は NASA の雲と地球の放射エネルギー システムによって最も広範囲に収集されています。(CERES) 機器を低地球軌道に搭載しています。しかし、このような軌道プラットフォームは、最大でも 1 日に地球の各地点を 2 回しか観測できず、一方、雲の形成と ERB の変調は分単位で発生します (図 1 を参照)。したがって、ERB のグローバルな変化を追跡するためには不可欠であるにもかかわらず、このような低軌道測定は、CO2 増加などによる避けられない地表温暖化に直接反応して対流雲の形成と消散に生じる変化のコンピューター シミュレーションを検証するために直接使用_することはできません。地球観測システムのこの欠陥に対処するため、英国、ベルギー、イタリアの欧州コンソーシアムが静止地球放射収支 (GERB) プロジェクトに着手し、メテオサット第 2 世代 (MSG) スピン安定化プラットフォームに高精度の ERB 放射計を搭載することを目指しました。

GERBプロジェクトは、英国インペリアル・カレッジに拠点を置く宇宙大気グループ（SPAT）が主導しており、ジョン・E・ハリーズ教授が最初の主任研究員で、現在はヘレン・ブリンドリー博士が後任を務めています。デバイス自体は、英国レスター大学の宇宙科学センターが設計したイタリア製の3面鏡銀製望遠鏡と電子機器を使用して、ラザフォード・アップルトン研究所で構築されました。完成した4つのGERBデバイスはそれぞれ、レイ・リグレーが設計し、同じくインペリアル・カレッジの地球観測特性評価施設（EOCF）にある真空較正室（VCC）で、徹底的な地上放射較正を受けました。このようなテストには、直線性の確認、温暖黒体と冷黒体（WBBとCBB）を使用したLW放射ゲインの決定、可視光較正源（VISCS）ランプを使用したSWゲインの決定、システムレベルのスペクトル応答の抜き取り検査が含まれていました。

各 GERB デバイスは、ハネウェル社製の黒色サーモパイル検出器の線形アレイを使用しており、デスキャン ミラー (DSM) を使用して MSG プラットフォームが 100rpm で回転するたびに地球を見つめます。したがって、地球ディスクの列が各回転で取得され、合計 250 x 256 チャネル サンプルと、5 分ごとに石英フィルターを装着した状態で 250 x 256 の SW サンプルが取得されます (つまり、DSM と MSG の回転の相対位相は各回転でわずかにシフトします。図 4 の右下を参照)。したがって、各回転で検出器は内部黒体 (IBB) と較正モニター (CalMon) も確認し、LW および SW ゲインの変更を継続的にアップグレードできます。3 メートル幅の MSG 回転プラットフォームの外側に配置するため、DSM の回転時に GERB デバイスが受ける 16g の一定した遠心力に耐えられるよう、厳密な設計が求められました。

地球ディスクの 250x256 アレイおよび SW アレイが 3 回撮影された後、15 分ごとに、2 つの平均差から合成 LW 結果が得られます。このような ERB 結果は、MSG プラットフォーム上の SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) を使用した解像度の向上および雲の取得と組み合わせられます。データの相乗効果による GERB と SEVIRI の組み合わせには、256 の GERB 検出器/望遠鏡視野応答または点広がり関数 (PSF、Matthews (2004) ^[2]を参照) のそれぞれの詳細なマッピングも必要でした。これは、金で黒く塗った後、256 のサーモパイル応答のそれぞれをマッピングするように制御された He-Ne レーザー コンピューターを使用して行われました。GERB 地上較正の詳細については、Matthews (2003) で入手できます。^[3]各GERB検出器の異なる光波長におけるスペクトル応答または相対吸収の測定値は、各サーモパイルの生の信号をフィルタリングしないプロセスに必要です。これは、放射伝達モデルを使用して特定のシーンの放射輝度のスペクトル形状を推定し、フィルタリングしない比率、つまり不均一なスペクトル応答を説明するために必要な係数を推定します。各GERBデバイスについて、これは検出器、望遠鏡、DSM、石英フィルターのスペクトルスループット/吸収のユニットレベルの実験室測定値の乗算に依存しています。GERB SW結果の精度は、SWゲインがVISCSランプを使用して決定されるため、そのような測定の品質に直接依存します。VISCSランプのスペクトルは、太陽のスペクトルと比較して長波長に大幅にシフトしています。このようなGERBの精度は、現在、文献によると約2%レベルであると推定されています。このようなフィルタリング解除は、ベルギー王立気象研究所 (RMIB) によって、SEVIRI データとの相乗効果と、角度依存モデル (ADM) を使用した放射輝度から放射照度への変換とともに実行されます。

毎分100回転ごとに、すべてのGERB検出器は内部黒体（IBB）とCalMonソーラーディフ​​ューザーの両方のスキャンを取得します。各サーモパイルピクセルのカウントあたりのゲイン（Wm ⁻² Sr ^−1）とオフセットは、IBBの既知の温度と、その信号とEarthviewの信号との差に基づいて定期的に更新されます。当初の意図は、アルミニウム製ソーラーディフ​​ューザーのCalMonビューを使用して、GERBデバイスの太陽光子スループットの変化を追跡することでした（J. Muellerによって開発された式^[3]を参照）。しかし、飛行中のソーラーディフ​​ューザーとその太陽光透過率は軌道上で大幅に変化するため、CERESのディフューザーはNASAによって使用不可と判断されました。^[4]また、CalMonの積分球の性質により、太陽光子はGERB望遠鏡に向かう途中でアルミニウムで多くの反射を受ける可能性があり、アルミニウム反射率の830 nm低下でのエネルギーが未知の量で大幅に減少する可能性があります。 GERB装置の太陽応答の変化を追跡する代替案としては、 NASAが提案している CLARREO装置などの他のERB装置との比較や、後でその較正が検証されると仮定した他のブロードバンド装置との比較などが考えられる。^{[5]もう1つの可能性は、地球の結果の安定性を確保するために}SeaWIFSプロジェクトで使用されている月のビューを使用することである（図5を参照）。

GERB データは、図 6 のアニメーションに示すように、以下のラザフォード アップルトン研究所GGSPS ダウンロード サイトから入手できます。このアニメーションでは、地球ディスク全体の反射 SW (左) と放射 LW (右) が表示されています。このアニメーションは、24 時間分の GERB SW および LW フラックスを示しており、気候科学者はこれを使用して、GCM が雲の形成と消散をシミュレートする方法と ERB への影響を検証できます。

CERES機器からの ERB フラックスはMODISイメージャーの雲の取得とペアになっているため、GERB の SW および LW 測定を MSG プラットフォーム上の SEVIRI (回転型可視赤外イメージャー) プライマリー デバイスの結果と結び付けることが常に意図されていました。狭帯域 SEVIRI 機器からの雲/エアロゾルの取得に加えて、高空間解像度イメージャー データが GERB の精度と組み合わされ、気候駆動フラックスの解像度向上が実行され、雲の形成/消失の気候モデル シミュレーションをより適切に評価し、気候変動がどのように加速または減速するかを知ることができます。SEVIRI の放射輝度は、GERB のフィルタリング解除プロセスでも使用され、表示されているシーンのスペクトル形状を推定するのに役立ちます。

Rutherford GGSPS ダウンロード サイトに加えて、環境データ分析センター (CEDA) に新しいアクセス ハブがセットアップされており、このハブも以下の URL にリストされており、GERB ファイルにアクセスできます。

• ゲルブ
• RMIB の GERB
• ラザフォード・アップルトン研究所のGGSPS GERBデータダウンロードサイト
• GERB データ ダウンロード サイト (環境データ分析センター)