El GERB [1] es un instrumento a bordo de los satélites geoestacionarios Meteosat de segunda generación de EUMETSAT diseñado para realizar mediciones precisas del balance de radiación de la Tierra . Fue producido por un consorcio europeo formado por el Reino Unido , Bélgica e Italia . El primero, conocido como GERB 2, se lanzó el 28 de agosto de 2002 en un cohete Ariane 5. El segundo, GERB 1, se lanzó el 21 de diciembre de 2005, y el tercero, GERB3, el 5 de julio de 2012. El último dispositivo GERB 4 se lanzó el 14 de julio de 2015. El primer GERB 2 lanzado en MSG 1 se encuentra actualmente sobre el océano Índico a 41,5° E, mientras que los GERB 1 y 3 en MSG 2 y 3 todavía se encuentran sobre la posición estándar de EUMETSAT en África . El GERB 4 en MSG aún no está operativo.
El aumento sin precedentes del CO2 atmosférico que se ha producido desde la Revolución Industrial debido a la actividad humana es motivo de gran preocupación para los científicos, ya que se ha producido a un ritmo de magnitud superior al que ha experimentado jamás el planeta Tierra . Los modelos climáticos, conocidos como modelos de circulación global (GCM), son actualmente una vía para investigar y tratar de predecir cómo cambiará el clima de la Tierra en respuesta a un ritmo de cambio sin precedentes. Estos modelos informáticos coinciden en gran medida en muchas predicciones sobre cómo el clima se verá "forzado" a un estado diferente por tales cambios, pero todavía hay mucho desacuerdo, más concretamente sobre cómo dicho forzamiento también dará lugar a " retroalimentaciones " en el sistema. Por ejemplo, el aumento del CO2 aumentará el efecto invernadero , lo que dará lugar a una atmósfera más cálida y a un mayor derretimiento del hielo del Ártico. Sin embargo, se sabe que una atmósfera más cálida puede, por ejemplo, contener una mayor cantidad de vapor de agua a la misma humedad relativa, y el derretimiento del hielo blanco altamente reflectante del Ártico expondrá el océano abierto a la luz solar. Dado que el vapor de agua es en sí mismo un gas de efecto invernadero muy fuerte y el océano Ártico oscuro absorberá más luz solar que el hielo flotante altamente reflejado, ambos se entienden razonablemente bien como retroalimentaciones positivas que actuarán para acelerar la tasa de calentamiento global. Tal vez el aspecto menos comprendido del cambio climático es el relacionado con las nubes y cómo podrían cambiar en respuesta al calentamiento atmosférico directo debido al aumento del CO2 . Estos efectos, denominados colectivamente forzamiento de las nubes o forzamiento radiativo de las nubes (CRF) y retroalimentación, aún no se comprenden al nivel en que se pueda predecir con certeza si sus posibles retroalimentaciones serán en total positivas y acelerarán, o negativas y desacelerarán el calentamiento global. Las acciones del sistema meteorológico/climático de la Tierra son esencialmente el trabajo realizado por un motor térmico a escala global, cuyo calor proviene de toda la energía solar absorbida, mientras que el calor que sale proviene de las emisiones infrarrojas térmicas de regreso al espacio. Estos dos flujos radiativos se conocen como componentes de onda corta (SW para solar) y onda larga (LW para IR) en lo que se conoce como el presupuesto de radiación de la Tierra (ERB, por sus siglas en inglés). Naturalmente, el calor en la Tierra requiere que se mida la SW reflejada y se reste del flujo solar entrante. Por lo tanto, las nubes tienen naturalmente un gran efecto en el ERB debido a su alta reflectividad de SW solar y su fuerte absorción de LW térmica saliente. A nivel mundial, los flujos ERB solo se pueden medir desde la órbita y se han recopilado desde la década de 1970 por misiones de los EE. UU. y Europa, más ampliamente desde 1998 por el Sistema de energía radiante de la Tierra y las nubes de la NASA.(CERES) en órbita terrestre baja. Sin embargo, estas plataformas orbitales, como máximo, ven cada punto de la Tierra solo dos veces al día, mientras que la formación de nubes y la modulación de la ERB se producen en la escala de tiempo de minutos (véase la figura 1). Por lo tanto, aunque vitales para rastrear los cambios globales en la ERB, estas mediciones en órbita baja no se pueden utilizar directamente para validar simulaciones por computadora de cambios en la formación y disipación de nubes convectivas en respuesta directa al inevitable calentamiento de la superficie debido al aumento de CO 2 , etc. Para abordar esta deficiencia en el sistema de observación de la Tierra, el consorcio europeo entre el Reino Unido, Bélgica e Italia se embarcó en el proyecto Geo-stationary Earth Radiation Budget (GERB), con la intención de colocar un radiómetro ERB de alta precisión a bordo de las plataformas estabilizadas por giro Meteosat de segunda generación (MSG).
El proyecto GERB está dirigido por el Space and Atmospheric Group (SPAT) con sede en el Imperial College del Reino Unido, con el profesor John E. Harries como investigador principal original y ahora reemplazado por la Dra. Helen Brindley. Los dispositivos fueron construidos por el Laboratorio Rutherford Appleton utilizando un telescopio de plata de tres espejos italiano y electrónica diseñada por el centro de Ciencias Espaciales de la Universidad de Leicester del Reino Unido. Cada uno de los cuatro dispositivos GERB completados se sometió a una extensa calibración radiométrica terrestre en una cámara de calibración de vacío (VCC) en la Instalación de Observación y Caracterización de la Tierra (EOCF), también del Imperial College y diseñada por Ray Wrigley. Dichas pruebas incluyeron la confirmación de la linealidad, la determinación de la ganancia radiométrica de LW utilizando cuerpos negros cálidos y fríos (WBB y CBB), la determinación de la ganancia de SW utilizando una lámpara de fuente de calibración visible (VISCS) y verificaciones puntuales de la respuesta espectral a nivel del sistema.
Cada dispositivo GERB utiliza una matriz lineal de detectores de termopila ennegrecidos fabricados por Honeywell, que miran fijamente a la Tierra en cada rotación de 100 rpm de la plataforma MSG mediante el uso de un espejo de desescaneo (DSM). Por lo tanto, se toma una columna del disco de la Tierra en cada revolución, lo que permite 250x256 muestras de canal totales seguidas de 250x256 muestras de SW con el filtro de cuarzo colocado cada 5 minutos (es decir, la fase relativa de la rotación del DSM al MSG se desplaza ligeramente en cada rotación, consulte la Fig. 4 en la parte inferior derecha). Por lo tanto, en cada rotación, los detectores también ven el cuerpo negro interno (IBB) y el monitor de calibración (CalMon) para permitir la actualización continua de los cambios de ganancia de LW y SW. Su ubicación hacia las afueras de la plataforma giratoria MSG de 3 metros de ancho exigió un diseño riguroso del dispositivo GERB para soportar la fuerza centrífuga constante de 16 g a la que está expuesto a medida que gira el DSM.
Cada 15 minutos, después de tomar 3 conjuntos completos de 250x256 de total y SW del disco terrestre, se obtiene un resultado sintético de LW a partir de la diferencia media entre los dos. Dichos resultados de ERB se combinan luego con una mejora de la resolución y recuperaciones de nubes utilizando el generador de imágenes en el visible y en el infrarrojo mejorado por rotación (SEVIRI) también en la plataforma MSG. La combinación de GERB y SEVIRI a través de la sinergia de datos también requirió un mapeo detallado de cada una de las 256 respuestas del campo de visión del detector/telescopio GERB o la función de dispersión de puntos (PSF, ver Matthews (2004) [2] ). Esto se hizo utilizando un láser He-Ne controlado por computadora para mapear cada una de las respuestas de las 256 termopilas después de ser cubiertas con un ennegrecimiento de oro. Los detalles completos de la calibración terrestre de GERB se pueden obtener en Matthews (2003). [3] La respuesta espectral o la medida de la absorción relativa a diferentes longitudes de onda de luz para cada detector GERB es necesaria para el proceso de desfiltrar la señal bruta de cada termopila. Este método utiliza modelos de transferencia radiativa para estimar la forma espectral de la radiancia de una escena particular y así estimar una relación de desfiltrado o el factor necesario para tener en cuenta la respuesta espectral no uniforme. Para cada dispositivo GERB, esto se basa en la multiplicación de mediciones de laboratorio a nivel de unidad de la absorción/rendimiento espectral del detector, telescopio, DSM y filtro de cuarzo. La precisión de los resultados de GERB SW depende directamente de la calidad de dichas mediciones, ya que la ganancia de SW se determina utilizando la lámpara VISCS, cuyo espectro se desplaza significativamente hacia longitudes de onda más largas en comparación con las del Sol. Actualmente, se estima que dicha precisión de GERB está en torno al 2 % según la referencia. El Instituto Meteorológico Real de Bélgica (RMIB) realiza dicha desfiltración, junto con la sinergia con los datos de SEVIRI y la conversión de radiancia a irradiancia utilizando modelos de dependencia angular (ADM).
Como se muestra en la Fig.4, para cada una de las 100 rotaciones por minuto, cada detector GERB obtiene un escaneo tanto del cuerpo negro interno (IBB) como del difusor solar CalMon. La ganancia en conteos por Wm −2 Sr −1 y las compensaciones de cada píxel de la termopila se actualizan regularmente en función de la temperatura conocida del IBB y la diferencia de su señal con respecto a la de la vista de la Tierra. La intención original era utilizar las vistas CalMon del difusor solar de aluminio para rastrear los cambios en el rendimiento del dispositivo GERB de los fotones solares (consulte las ecuaciones [3] desarrolladas por J. Mueller). Sin embargo, los difusores solares en vuelo y su transmisión de luz solar cambian drásticamente en órbita, de modo que la NASA consideró que los difusores de CERES no se podían usar. [4] Además, la naturaleza de esfera integradora del CalMon significa que los fotones solares probablemente habrán sufrido muchas reflexiones en el aluminio en el camino hacia el telescopio GERB, lo que probablemente reducirá significativamente la energía en la caída de 830 nm en la reflectividad del aluminio en una cantidad desconocida. Las posibles alternativas para rastrear los cambios en la respuesta solar del dispositivo GERB incluyen la comparación con otros dispositivos ERB, como el instrumento CLARREO propuesto por la NASA , o quizás otros dispositivos de banda ancha, suponiendo que su calibración se valide más tarde. [5] Otra posibilidad es el uso de vistas de la Luna como las que utiliza el proyecto SeaWIFS para garantizar la estabilidad de los resultados de la Tierra (ver Figura 5).
Los datos de GERB están disponibles en el sitio de descarga GGSPS del Laboratorio Rutherford Appleton que se muestra a continuación, como se muestra en la animación de la Fig. 6, que muestra el SW reflejado (izquierda) y el LW saliente (derecha) en el disco terrestre completo. Esta animación muestra 24 horas de flujos de SW y LW de GERB que permitirán a los científicos del clima validar cómo los GCM simulan la formación y disipación de nubes y los efectos en el ERB.
Como los flujos ERB de los instrumentos CERES se combinan con las recuperaciones de nubes del generador de imágenes MODIS , siempre fue la intención vincular las mediciones de ondas de choque y ondas largas de GERB con los resultados del dispositivo principal de generación de imágenes en el visible y en el infrarrojo mejorado giratorio (SEVIRI) en las plataformas MSG. Además de las recuperaciones de nubes y aerosoles del instrumento SEVIRI de banda estrecha, los datos del generador de imágenes de alta resolución espacial se combinan con la precisión de GERB para realizar una mejora de la resolución de los flujos impulsores del clima para evaluar mejor las simulaciones del modelo climático de la formación y disipación de nubes y saber cómo pueden acelerar o ralentizar el cambio climático. Las radiancias de SEVIRI también se utilizan en el proceso de desfiltrado de GERB para ayudar a estimar la forma espectral de la escena que se está viendo.
Además del sitio de descarga de Rutherford GGSPS, se está creando un nuevo centro de acceso en el Centro de Análisis de Datos Ambientales (CEDA), que también figura en las URL a continuación y que permitirá el acceso a los archivos GERB.