El Sistema de Energía Radiante de la Tierra y las Nubes ( CERES , por sus siglas en inglés) es un experimento climatológico en curso de la NASA desde la órbita terrestre . [1] [2] Los CERES son instrumentos satelitales científicos, parte del Sistema de Observación de la Tierra (EOS, por sus siglas en inglés) de la NASA, diseñados para medir la radiación solar reflejada y emitida por la Tierra desde la parte superior de la atmósfera (TOA, por sus siglas en inglés) hasta la superficie de la Tierra. Las propiedades de las nubes se determinan utilizando mediciones simultáneas realizadas por otros instrumentos EOS, como el Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (MODIS, por sus siglas en inglés). [3] Los resultados del CERES y otras misiones de la NASA, como el Experimento de Presupuesto de Radiación de la Tierra (ERBE, por sus siglas en inglés), [4] podrían permitir un seguimiento más cercano al tiempo real del desequilibrio energético de la Tierra (EEI, por sus siglas en inglés) y una mejor comprensión del papel de las nubes en el cambio climático global . [1] [5][actualizar]
El experimento CERES tiene cuatro objetivos principales:
Cada instrumento CERES es un radiómetro que tiene tres canales: un canal de onda corta (SW) para medir la luz solar reflejada en la región de 0,2 a 5 μm , un canal para medir la radiación térmica emitida por la Tierra en la región de "ventana" o "WN" de 8 a 12 μm , y un canal total para medir todo el espectro de la radiación saliente de la Tierra (>0,2 μm ). El instrumento CERES se basó en el exitoso Experimento de Balance de Radiación de la Tierra que utilizó tres satélites para proporcionar mediciones del balance de energía global entre 1984 y 1993. [6]
El primer módulo de proto-vuelo (PFM) del instrumento CERES se lanzó a bordo de la Misión de medición de lluvia tropical (TRMM) de la NASA en noviembre de 1997 desde Japón . Sin embargo, este instrumento dejó de funcionar después de 8 meses debido a una falla en el circuito de a bordo.
Se lanzaron seis instrumentos CERES adicionales en el Sistema de Observación de la Tierra y el Sistema Conjunto de Satélites Polares . El satélite Terra, lanzado en diciembre de 1999, transportaba dos (Módulo de Vuelo 1 (FM1) y FM2) y el satélite Aqua, lanzado en mayo de 2002, transportaba dos más (FM3 y FM4). Un quinto instrumento (FM5) se lanzó en el satélite Suomi NPP en octubre de 2011 y un sexto (FM6) en NOAA-20 en noviembre de 2017. Con la falla del PFM en TRMM y la pérdida en 2005 del canal SW de FM4 en Aqua, hay cinco de los Módulos de Vuelo CERES que están completamente operativos a partir de 2017. [7] [8]
Las mediciones de los instrumentos CERES se verían reforzadas por el Instrumento de Presupuesto de Radiación (RBI), que se lanzará en el Sistema de Satélite Polar Conjunto -2 (JPSS-2) en 2021, el JPSS-3 en 2026 y el JPSS-4 en 2031. [8] El proyecto se canceló el 26 de enero de 2018; la NASA citó problemas técnicos, de costo y de cronograma y el impacto del crecimiento previsto del costo del RBI en otros programas. [9]
En febrero de 2020, la NASA anunció que había seleccionado el instrumento Libera para su lanzamiento en JPSS-3 a fines de 2027. [10] Se prevé que Libera proporcione continuidad de datos y capacidades actualizadas. LASP es el desarrollador principal del instrumento. [11]
CERES opera en tres modos de escaneo: a lo largo de la trayectoria terrestre del satélite (cross-track), a lo largo de la dirección de la trayectoria terrestre del satélite (along-track) y en un plano azimutal rotatorio (RAP). En el modo RAP, los radiómetros escanean en elevación a medida que giran en azimut , adquiriendo así mediciones de radiancia desde una amplia gama de ángulos de visión. Hasta febrero de 2005, en los satélites Terra y Aqua , uno de los instrumentos CERES escaneaba en modo cross-track mientras que el otro estaba en modo RAP o a lo largo de la trayectoria. El instrumento que operaba en modo de escaneo RAP tomaba dos días de datos a lo largo de la trayectoria cada mes. Sin embargo, los datos multiangulares de CERES permitieron derivar nuevos modelos que dan cuenta de la anisotropía de la escena observada y permiten la recuperación del flujo radiativo TOA con mayor precisión. [12]
Todos los instrumentos de CERES están en órbita heliosincrónica . Los datos geoestacionarios comparables entre 60°S y 60°N también se aplican en productos de datos "equilibrados y completos" para proporcionar una representación diurna completa del balance de radiación y tener en cuenta los cambios en las nubes entre los tiempos de observación de CERES. [13]
Los instrumentos CERES fueron diseñados para proporcionar una mayor estabilidad y precisión en las mediciones , sin embargo, lograr y garantizar una precisión absoluta a lo largo del tiempo también era conocido como un desafío constante. [14] A pesar de la capacidad más avanzada de CERES para monitorear los flujos radiativos TOA de la Tierra a nivel mundial y con relativa precisión, la única forma práctica de estimar la magnitud absoluta de EEI (a partir del año 2020) es a través de un inventario de los cambios de energía en el sistema climático. [15] En consecuencia, una restricción importante dentro de los productos de datos de CERES ha sido el anclaje de EEI en un punto en el tiempo a un valor que corresponde a varios años de datos ARGO . [13]
Para una misión de registro de datos climáticos (CDR) como CERES, la precisión es de gran importancia y se logró para mediciones nocturnas de infrarrojo puro mediante el uso de un cuerpo negro trazable SI de laboratorio terrestre para determinar las ganancias radiométricas del canal total y WN. Sin embargo, este no fue el caso para los canales solares de CERES, como SW y la porción solar del telescopio Total, que no tienen una cadena directa e ininterrumpida con la trazabilidad SI. Esto se debe a que las respuestas solares de CERES se midieron en tierra utilizando lámparas cuya energía de salida se estimó mediante un detector de referencia de criocavidad, que utilizó un telescopio Cassegrain de plata idéntico a los dispositivos CERES para que coincida con el campo de visión del instrumento satelital. La reflectividad de este telescopio construido y utilizado desde mediados de la década de 1990 nunca se midió realmente, se estimó [16] solo en base a muestras testigo (ver diapositiva 9 de Priestley et al. (2014) [17] ). Estas dificultades en la calibración terrestre, combinadas con presuntos eventos de contaminación en tierra [18] han resultado en la necesidad de realizar cambios inexplicables entre tierra y vuelo en las ganancias del detector SW de hasta un 8% [19] , simplemente para hacer que los datos ERB parezcan algo razonables para la ciencia climática (nótese que CERES actualmente afirma [14] una precisión absoluta de SW de un sigma de 0,9%).
La resolución espacial de CERES en la vista del nadir (diámetro equivalente de la huella) es de 10 km para CERES en TRMM, y de 20 km para CERES en los satélites Terra y Aqua . Tal vez de mayor importancia para misiones como CERES es la estabilidad de la calibración, o la capacidad de rastrear y dividir los cambios instrumentales de los datos de la Tierra para que rastree el cambio climático real con confianza. Las fuentes de calibración a bordo de CERES destinadas a lograr esto para los canales que miden la luz solar reflejada incluyen difusores solares y lámparas de tungsteno. Sin embargo, las lámparas tienen muy poca salida en la importante región de longitud de onda ultravioleta donde la degradación es mayor y se ha visto que su energía se desvía más del 1,4% en pruebas terrestres, sin una capacidad para monitorearlas en órbita (Priestley et al. (2001) [20] ). Los difusores solares también se han degradado mucho en órbita, de modo que Priestley et al. (2011) los han declarado inutilizables. [21] Se utilizan un par de cavidades de cuerpo negro que se pueden controlar a diferentes temperaturas para los canales totales y WN, pero no se ha demostrado que sean estables a más de un 0,5 %/década. [18] Las observaciones del espacio frío y la calibración interna se realizan durante los escaneos normales de la Tierra.
Los datos se comparan entre los instrumentos CERES en los diferentes satélites de la misión, así como con los datos de referencia de escaneo de los espectrorradiómetros que los acompañan (por ejemplo, MODIS en Aqua). La misión CLARREO Pathfinder planeada tiene como objetivo proporcionar un estándar de referencia de última generación para varios instrumentos EOS existentes, incluido CERES. [14]
Un estudio de los cambios anuales en el desequilibrio energético de la Tierra (EEI) que abarca el período 2005-2019 mostró una buena concordancia entre la observación de CERES y el EEI inferido a partir de mediciones in situ de la absorción de calor oceánico por la red de flotadores Argo. [22] Un par de estudios simultáneos que midieron la absorción de calor oceánico global, el derretimiento del hielo y el aumento del nivel del mar con una combinación de altimetría espacial y gravimetría sugirieron concordancias similares. [23] [24]
