Pesquisadores criam novo software para o novo satélite europeu-japonês de observação da Terra EarthCARE
Teste de algoritmo para avaliação 3D do lidar atmosférico (ATLID) e do Multi-Spectral Imager (MSI) no EarthCARE. Crédito:Moritz Haarig, TROPOS; https://amt.copernicus.org/articles/16/5953/2023/ Os preparativos para o lançamento do novo satélite de observação da Terra EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) no final de maio estão a todo vapor. A missão conjunta da Agência Espacial Europeia (ESA) e da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) medirá nuvens, aerossóis e radiação com mais precisão do que nunca. Isto será possível através da ligação de quatro instrumentos de última geração.
Três chamados processadores, que o Instituto Leibniz de Pesquisa Troposférica (TROPOS) desenvolveu em conjunto com parceiros, estão dando uma importante contribuição para a missão. Esses algoritmos foram agora descritos em detalhes em uma edição especial da revista Atmospheric Measurement Techniques .
O novo software torna possível derivar propriedades de nuvem do espectrômetro passivo (MSI), aerossóis e camadas de nuvens do lidar ativo de alta resolução espectral (ATLID), bem como produtos sinérgicos de nuvens e aerossóis de ambos os instrumentos. Um modelo de classificação de aerossóis (HETEAC) foi desenvolvido como base para a tipagem de aerossóis para garantir que esses cálculos funcionem nos diferentes dispositivos.
EarthCARE será o primeiro a combinar um lidar de alta resolução espectral e um radar de nuvem Doppler com sensores passivos, tornando-se a missão de satélite mais complexa já lançada ao espaço para estudar aerossóis, nuvens e seus efeitos radiativos. O desenvolvimento do EarthCARE demorou mais de 15 anos e custou cerca de 800 milhões de euros.
O satélite oferece grandes oportunidades para a ciência:a tecnologia de ponta a bordo fornece uma variedade de dados que irão melhorar a precisão dos modelos climáticos e apoiar a previsão numérica do tempo.
O satélite EarthCARE, que tem 17,2 metros de comprimento, 2,5 metros de largura, 3,5 metros de altura e pesa cerca de 2.200 quilogramas, foi montado pelo principal contratante alemão Airbus em Friedrichshafen, testado extensivamente em conjunto com a ESA e depois transportado de avião para Vandenberg (Califórnia, EUA). ), onde será lançado em sua órbita alvo a uma altitude de 393 quilômetros por um foguete Falcon 9 da empresa espacial norte-americana SpaceX no final de maio. O conjunto exclusivo de quatro instrumentos do EarthCARE fornece uma visão holística da interação entre nuvens, aerossóis e radiação. O radar de perfil de nuvem (verde) fornece informações sobre a estrutura vertical e a dinâmica interna das nuvens, o lidar atmosférico (roxo) fornece informações sobre o topo da nuvem e perfis de nuvens finas e aerossóis, o gerador de imagens multiespectral fornece uma visão abrangente da cena em diferentes comprimentos de onda e o radiômetro de banda larga mede a radiação solar refletida e a radiação infravermelha emitida. Crédito:ESA/ATG medialab O Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) está equipado com quatro instrumentos:um radar de nuvem Doppler, um lidar com alta resolução espectral, um espectrômetro de imagem e um radiômetro de banda larga com três direções de visualização diferentes. Os instrumentos fornecerão observações sinérgicas de aerossóis, nuvens, radiação e suas interações com uma precisão sem precedentes.
Um dos objetivos da missão é reconciliar os fluxos radiativos medidos e calculados no topo da atmosfera para um instantâneo de 100 quilómetros quadrados com uma precisão de 10 Watts por metro quadrado, o que melhoraria significativamente o conhecimento do forçamento radiativo global.
Os dados do EarthCARE são calculados quase em tempo real (quase em tempo real) utilizando uma sofisticada cadeia de processamento de dados. O lidar fornece perfis verticais e, portanto, uma seção transversal da atmosfera ao longo da trajetória de voo do satélite.
A partir disso, os algoritmos desenvolvidos na TROPOS derivam a altura do topo das nuvens e a altura das camadas de aerossóis, que podem consistir, por exemplo, na poeira do Saara ou na fumaça de grandes incêndios florestais. Esses algoritmos também são conhecidos como processadores no jargão técnico e são o coração do software para análise de dados.
Além do lidar, o espectrômetro de imagem permite caracterizar a atmosfera usando uma imagem horizontal de 150 km de largura das propriedades de nuvens e aerossóis. As propriedades micro e macrofísicas da nuvem, como a espessura óptica da nuvem, o raio das gotas da nuvem e a altura do topo da nuvem, são determinadas usando outro processador desenvolvido na TROPOS.
O terceiro processador desenvolvido na TROPOS combina as informações resolvidas em altura do lidar com as informações horizontais do espectrômetro, a fim de obter uma imagem tridimensional melhorada da atmosfera ao longo da trajetória de voo do satélite em órbita terrestre. A classificação de aerossol em todos os algoritmos EarthCARE é baseada no modelo HETEAC (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).
“O modelo de classificação de aerossóis HETEAC desenvolvido pela TROPOS em conjunto com parceiros desempenha um papel central no processamento dos dados porque garante que os dispositivos falam a mesma língua, por assim dizer, e que os seus dados fornecem uma imagem geral uniforme”, explica o Dr. . Ulla Wandinger da TROPOS, que liderou o desenvolvimento deste modelo.
Mas a análise dos dados do lidar e do espectrômetro também inclui várias décadas de know-how em observação de nuvens e aerossóis da TROPOS.
“Os métodos de recuperação desenvolvidos em nossos processadores garantirão que a qualidade dos dados em nuvem e de aerossol melhorará significativamente”, relata a Dra. Anja Hünerbein, que desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento do software para o espectrômetro passivo.
Testar e preparar o radar de perfil de nuvem EarthCARE para lançamento na Califórnia. Uma das tarefas foi abrir a antena de radar de 2,5 metros de largura do satélite, que cria o perfil da nuvem. Este instrumento, fornecido pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA), foi projetado para penetrar nas nuvens e fornecer informações detalhadas sobre sua estrutura vertical, velocidade, tamanho e distribuição de partículas e conteúdo de água. Crédito:Agência Espacial Europeia - ESA
Vista artística do EarthCARE no espaço. Crédito:ESA-P. Carril
Os investigadores do TROPOS em Leipzig não só trabalharam no software, mas também estarão envolvidos na verificação e calibração dos dados. Isto porque é necessária uma validação cuidadosa das medições para atingir os ambiciosos objetivos científicos da missão EarthCARE.
A infraestrutura de investigação europeia ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) desempenha um papel importante no processo de validação. As estações de detecção remota ACTRIS estão idealmente equipadas para este fim:O equipamento padrão, composto por um lidar de alto desempenho e um fotómetro solar para medições de aerossóis, bem como um radar Doppler e um radiómetro de microondas para medições de nuvens, juntamente com a garantia de qualidade ACTRIS conceito, permite uma revisão detalhada de todos os produtos de aerossol e nuvem EarthCARE.
“Os fluxos de trabalho para observação, processamento de dados e fornecimento de dados quase em tempo real já foram desenvolvidos e amplamente testados. Para este verão, estamos organizando uma campanha com mais de 40 estações que durará vários meses”, afirma o Dr. TROPOS, que coordena a campanha. Além das estações TROPOS em Leipzig (Alemanha), Mindelo (Cabo Verde) e Dushanbe (Tajiquistão), muitas estações ACTRIS em toda a Europa também estarão envolvidas.
Os extensos esforços de validação realizados pela TROPOS e muitas equipes de pesquisa internacionais servem para verificar com precisão os processadores desenvolvidos e as variáveis medidas determinadas com eles. Só então ficará realmente claro até que ponto as propriedades dos aerossóis e das nuvens e os seus efeitos radiativos podem ser determinados pelo EarthCARE e como os dados medidos globalmente podem ser usados para melhorar a nossa compreensão da atmosfera.
O novo “olho” da Europa no espaço será capaz de ver as complicadas interacções entre nuvens, aerossóis e radiação de forma mais clara e precisa do que nunca, com a ajuda das estações terrestres.
