Wetenschap
Onderzoekers maken nieuwe software voor de nieuwe Europees-Japanse aardobservatiesatelliet EarthCARE
De voorbereidingen voor de lancering van de nieuwe aardobservatiesatelliet EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) eind mei zijn in volle gang. De gezamenlijke missie van de European Space Agency (ESA) en de Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zal wolken, aërosol en straling nauwkeuriger meten dan ooit tevoren. Dit wordt mogelijk gemaakt door het koppelen van vier state-of-the-art instrumenten.
Drie zogenaamde processors, die het Leibniz Instituut voor Troposferisch Onderzoek (TROPOS) samen met partners heeft ontwikkeld, leveren een belangrijke bijdrage aan de missie. Deze algoritmen zijn nu in detail beschreven in een speciale uitgave van het tijdschrift Atmospheric Measurement Techniques .
De nieuwe software maakt het mogelijk om wolkeneigenschappen af te leiden van de passieve spectrometer (MSI), aërosol- en wolkenlagen van de actieve lidar met hoge spectrale resolutie (ATLID), evenals synergetische wolk- en aerosolproducten van beide instrumenten. Er is een aerosolclassificatiemodel (HETEAC) ontwikkeld als basis voor de aërosoltypering om ervoor te zorgen dat deze berekeningen op de verschillende apparaten werken.
EarthCARE zal de eerste zijn die een lidar met hoge spectrale resolutie en een Doppler-wolkenradar combineert met passieve sensoren, waardoor het de meest complexe satellietmissie wordt die ooit in de ruimte is gelanceerd om aerosolen, wolken en hun stralingseffecten te bestuderen. De ontwikkeling van EarthCARE duurde meer dan 15 jaar en kostte ongeveer 800 miljoen euro.
De satelliet biedt geweldige kansen voor de wetenschap:de modernste technologie aan boord levert een verscheidenheid aan gegevens op die de nauwkeurigheid van klimaatmodellen zullen verbeteren en numerieke weersvoorspellingen zullen ondersteunen.
De EarthCARE-satelliet, die 17,2 meter lang, 2,5 meter breed, 3,5 meter hoog en zo’n 2.200 kilogram weegt, werd door de Duitse hoofdaannemer Airbus in Friedrichshafen geassembleerd, samen met ESA uitgebreid getest en vervolgens per vliegtuig naar Vandenberg (Californië, VS) vervoerd. ), waar het eind mei op een hoogte van 393 kilometer in zijn doelbaan zal worden gelanceerd door een Falcon 9-raket van het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf SpaceX.
De Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) is uitgerust met vier instrumenten:een Doppler-wolkenradar, een lidar met hoge spectrale resolutie, een beeldspectrometer en een breedbandradiometer met drie verschillende kijkrichtingen. De instrumenten zullen synergetische waarnemingen van aërosol, wolken, straling en hun interacties met ongekende nauwkeurigheid mogelijk maken.
Een van de doelstellingen van de missie is om de gemeten en berekende stralingsfluxen aan de bovenkant van de atmosfeer met elkaar in overeenstemming te brengen voor een momentopname van 100 vierkante kilometer met een nauwkeurigheid van 10 watt per vierkante meter, wat de kennis van de mondiale stralingsforcering aanzienlijk zou verbeteren.
P>De EarthCARE-gegevens worden vrijwel in realtime (bijna realtime) berekend met behulp van een geavanceerde gegevensverwerkingsketen. De lidar biedt verticale profielen en daarmee een dwarsdoorsnede van de atmosfeer langs de vliegbaan van de satelliet.
Hieruit leiden de bij TROPOS ontwikkelde algoritmen de tophoogte van de wolk af en de hoogte van aërosollagen, die bijvoorbeeld kunnen bestaan uit Saharastof of rook van grote bosbranden. Deze algoritmen worden in technisch jargon ook wel processors genoemd en vormen het softwarehart van data-analyse.
Naast lidar maakt de beeldspectrometer het mogelijk om de atmosfeer te karakteriseren met behulp van een horizontaal, 150 km breed beeld van wolken- en aërosoleigenschappen. De micro- en macrofysische wolkeneigenschappen, zoals de optische dikte van de wolk, de straal van de wolkendruppel en de tophoogte van de wolk, worden bepaald met behulp van een andere processor die bij TROPOS is ontwikkeld.
De derde processor die bij TROPOS is ontwikkeld, combineert de hoogte-opgeloste informatie van de lidar met de horizontale informatie van de spectrometer om een verbeterd driedimensionaal beeld te verkrijgen van de atmosfeer langs de vliegbaan van de in een baan om de aarde draaiende satelliet. De aërosolclassificatie in alle EarthCARE-algoritmen is gebaseerd op het HETEAC-model (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).
"Het door TROPOS samen met partners ontwikkelde HETEAC aërosolclassificatiemodel speelt een centrale rol bij de verwerking van de gegevens, omdat het ervoor zorgt dat de apparaten als het ware dezelfde taal spreken en dat hun gegevens een uniform totaalbeeld geven", legt Dr. . Ulla Wandinger van TROPOS, die leiding gaf aan de ontwikkeling van dit model.
Maar de analyse van de lidar- en spectrometergegevens omvat ook tientallen jaren aan knowhow op het gebied van wolken- en aërosolobservatie door TROPOS.
"De in onze processors ontwikkelde ophaalmethoden zullen ervoor zorgen dat de kwaliteit van de cloud- en aerosolgegevens aanzienlijk zal verbeteren", meldt dr. Anja Hünerbein, die een sleutelrol speelde bij de ontwikkeling van de software voor de passieve spectrometer.
-
Het testen en voorbereiden van de EarthCARE cloudprofielradar voor de lancering in Californië. Eén van de taken was het openen van de 2,5 meter brede radarantenne van de satelliet, waardoor het wolkenprofiel ontstaat. Dit instrument, geleverd door de Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), is ontworpen om wolken te doordringen en gedetailleerd inzicht te geven in hun verticale structuur, snelheid, deeltjesgrootte en -verdeling, en watergehalte. Credit:Europees Ruimtevaartagentschap - ESA -
Artistieke kijk op EarthCARE in de ruimte. Krediet:ESA-P. Carril
Onderzoekers van TROPOS in Leipzig hebben niet alleen aan de software gewerkt, maar zullen ook betrokken worden bij het controleren en kalibreren van de data. Dit komt omdat zorgvuldige validatie van de metingen noodzakelijk is om de ambitieuze wetenschappelijke doelstellingen van de EarthCARE-missie te bereiken.
De Europese onderzoeksinfrastructuur ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) speelt een grote rol in het validatieproces. De ACTRIS-teledetectiestations zijn hiervoor ideaal uitgerust:de standaarduitrusting, bestaande uit een krachtige lidar en een zonnefotometer voor aërosolmetingen, evenals een Doppler-radar en een microgolfradiometer voor wolkenmetingen, samen met de ACTRIS-kwaliteitsborging concept, maakt een gedetailleerd overzicht van alle EarthCARE aërosol- en cloudproducten mogelijk.
"Workflows voor observatie, dataverwerking en het vrijwel realtime beschikbaar stellen van data zijn al ontwikkeld en uitgebreid getest. Voor deze zomer organiseren we een campagne met ruim 40 stations die meerdere maanden zal duren", zegt dr. Holger Baars van TROPOS, die de campagne coördineert. Naast de TROPOS-stations in Leipzig (Duitsland), Mindelo (Kaapverdië) en Dushanbe (Tadzjikistan) zullen ook veel ACTRIS-stations in heel Europa betrokken zijn.
De uitgebreide validatie-inspanningen van TROPOS en vele internationale onderzoeksteams dienen om de ontwikkelde processors en de daarmee bepaalde meetvariabelen nauwkeurig te controleren. Alleen dan zal echt duidelijk worden hoe goed de eigenschappen van aerosolen en wolken en hun stralingseffecten door EarthCARE kunnen worden bepaald en hoe de wereldwijd gemeten gegevens kunnen worden gebruikt om ons begrip van de atmosfeer te verbeteren.
Europa's nieuwe 'oog' in de ruimte zal met behulp van de grondstations de ingewikkelde interacties tussen wolken, aërosol en straling duidelijker en nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen zien.