Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 6. С. 50-60
Инфракрасный канал научной аппаратуры «Дриада» для измерения содержания парниковых газов из космоса
А.Ю. Трохимовский
1 , О.И. Кораблев
1 , Ю.С. Иванов
2 , А.С. Патракеев
1 , А.А. Фёдорова
1 , И.А. Дзюбан
1 , В.В. Дружин
3 , М.А. Полуаршинов
4 , Ю.В. Смирнов
4 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Главная астрономическая обсерватория Национальной академии наук Украины, Киев, Украина
3 Московский государственный университет имени Н.Э. Баумана, Москва, Россия
4 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва, Королёв, Россия
Одобрена к печати: 01.12.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-6-50-60
Представлена концепция космического эксперимента и спектрометра ближнего инфракрасного диапазона на принципе скрещенной дисперсии для дистанционных измерений атмосферных парниковых газов с орбиты искусственного спутника Земли. Данная задача имеет глобальный характер. Промышленные и хозяйственные выбросы выступают антропогенными источниками эмиссии парниковых газов. За последние столетия средние уровни углекислого газа (CO2) и метана (CH4) непрерывно увеличиваются, достигнув на сегодняшний день 410 ppm и 1877 ppb соответственно. Получение объективной количественной информации о состоянии углеродного баланса в атмосфере возможно лишь с применением приборов космического базирования. Эксперимент «Дриада» предполагает измерения в трёх каналах. Основной канал на базе спектрометра высокого спектрального разрешения для диапазона 1,4–1,67 мкм предназначен для измерения содержания углекислого газа (в полосах поглощения 1,58 и 1,6 мкм), метана (в полосе 1,65 мкм), водяного пара, а также для детектирования перистых облаков. Два дополнительных канала предназначены для измерения оптических свойств зондируемых воздушных масс по поглощению в полосе молекулярного кислорода (О2) (0,76 мкм) и контроля состояния аэрозоля. Обсуждаются научные задачи и ключевые параметры основного инфракрасного канала.
Ключевые слова: парниковые газы, ИК-спектрометр, эшелле, скрещенная дисперсия
Полный текстСписок литературы:
- Кораблев О. И., Трохимовский A. Ю., Виноградов И. И., Федорова А. А., Иванов А. Ю., Калинников Ю. К., Титов А. Ю., Калюжный А. В., Родин A. В., Кострова Е. А., Венкстерн А. А., Барке В. В., Смирнов Ю. В., Полуаршинов М. А., Ростэ О. З. Прибор РУСАЛКА для измерения содержания углекислого газа и метана в атмосфере с борта МКС // Оптич. журн. 2011. Т. 78. № 5. С. 44–58. http://www.opticjourn.ru/download/private/0-1105-44.pdf.
- Bertaux J.-L., Hauchecorne A., Lefèvre F., Bréon F.-M., Blanot L., Jouglet D., Lafrique P., Akaev P. The use of the 1.27 μm O2 absorption band for greenhouse gas monitoring from space and application to MicroCarb // Atmospheric Measurement Techniques. 2020. V. 13. P. 3329–3374. https://doi.org/10.5194/amt-13-3329-2020.
- Ciais P., Sabine C., Bala G., Bopp L., Brovkin V., Canadell J., Chhabra A., DeFries R., Galloway J., Heimann M., Jones C., Le Quéré C., Myneni R. B., Piao S., Thornton P. Carbon and Other Biogeochemical Cycles // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC Report / eds. Stocker T. F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S. K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P. M. Cambridge, UK; N. Y., US: Cambridge Univ. Press, 2013. P. 465–570. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter06_FINAL.pdf.
- Crisp D. Measuring atmospheric carbon dioxide from space with the Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) // Earth Observing Systems XX: Proc. SPIE. San Diego, CA, US. 2015. V. 9607. Art. No. 960702. https://doi.org/10.1117/12.2187291.
- de Vries J., Hoogeveen R., Voors R., Kleipool Q., Veefkind P., Aben I., Snel R., van der Valk N., Visser H., Otter G. Technology evolution of the TROPOMI instrument // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Sym. Munich. 2012. P. 2876–2879. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2012.6350726.
- Greenhouse Gas Bulletin / World Meteorological Organization. 2021. No. 17. 10 p. https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10904.
- Guerlet S., Butz A., Schepers D., Basu S., Hasekamp O. P., Kuze A., Yokota T., Blavier J.-F., Deutscher N. M., Griffith D. W.T., Hase F., Kyro E., Morino I., Sherlock V., Sussmann R., Galli A., Aben I. Impact of aerosol and thin cirrus on retrieving and validating XCO2 from GOSAT shortwave infrared measurements // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2013. V. 118. P. 4887–4905. https://doi.org/10.1002/jgrd.50332.
- Kasuya M., Nakajima M., Hamazaki T. Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) Program Overview and Its Development Status // Trans. Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Space Technology. Japan, 2009. V. 7. No. ists26. P. To_4_5–To_4_10. https://www.jstage.jst.go.jp/article/tstj/7/ists26/7_ists26_To_4_5/_pdf.
- Korablev O. I., Bertaux J.-L., Vinogradov I. I. Compact high-resolution IR spectrometer for atmospheric studies // Infrared Spaceborne Remote Sensing X: Proc. SPIE. Seattle. 2002. V. 4818. P. 272–281. https://doi.org/10.1117/12.451993.
- Korablev O. I., Bertaux J.-L., Vinogradov I. I., Kalinnikov Y. K., Nevejans D., Neefs E., Le Barbu T., Durry G. Compact high-resolution echelle-AOTF NIR spectrometer for atmospheric measurements // Intern. Conf. Space Optics – ICSO 2004: Proc. SPIE. Toulouse. 2004. V. 10568. Art. No. 105680A. P. 73–80. https://doi.org/10.1117/12.2308000.
- Korablev O., Montmessin F., Trokhimovskiy A., Fedorova A. A., Shakun A. V., Grigoriev A. V., Moshkin B. E., Ignatiev N. I., Forget F., Lefèvre F., Anufreychik K., Dzuban I., Ivanov Y. S., Kalinnikov Y. K., Kozlova T. O., Kungurov A., Makarov V., Martynovich F., Maslov I., Merzlyakov D., Moiseev P. P., Nikolskiy Y., Patrakeev A., Patsaev D., Santos-Skripko A., Sazonov O., Semena N., Semenov A., Shashkin V., Sidorov A., Stepanov A. V., Stupin I., Timonin D., Titov A. Y., Viktorov A., Zharkov A., Altieri F., Arnold G., Belyaev D. A., Bertaux J. L., Betsis D. S., Duxbury N., Encrenaz T., Fouchet T., Gérard J.-C., Grassi D., Guerlet S., Hartogh P., Kasaba Y., Khatuntsev I., Krasnopolsky V. A., Kuzmin R. O., Lellouch E., Lopez-Valverde M. A., Luginin M., Määttänen A., Marcq E., Martin Torres J., Medvedev A. S., Millour E., Olsen K. S., Patel M. R., Quantin-Nataf C., Rodin A. V., Shematovich V. I., Berkenboschs I., Thomas N., Vazquez L., Vincendon M., Wilquet V., Wilson C. F., Zasova L. V., Zelenyi L. M., Zorzano M. P. The Atmospheric Chemistry Suite (ACS) of Three Spectrometers for the ExoMars 2016 Trace Gas Orbiter // Space Science Reviews. 2018. V. 214. No. 7. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0437-6.
- Kuang Z., Margolis J., Toon G., Crisp D., Yung Y. Spaceborne measurements of atmospheric CO2 by high‐resolution NIR spectrometry of reflected sunlight: An introductory study // Geophysical Research Letters. 2002. V. 29. No. 15. P. 11-1–11-4. https://doi.org/10.1029/2001GL014298.
- Nevejans D., Neefs E., Van Ransbeeck E., Berkenbosch S., Clairquin R., De Vos L., Moelans W., Glorieux S., Baeke A., Korablev O., Vinogradov I., Kalinnikov Y., Bach B., Dubois J.-P., Villard E. Compact high-resolution spaceborne echelle grating spectrometer with acousto-optical tunable filter based order sorting for the infrared domain from 2.2 to 4.3 micrometer // Applied Optics. 2006. V. 45. Iss. 21. P. 5191–5206. https://doi.org/10.1364/AO.45.005191.
- Stanley K. M., Grant A., O’Doherty S., Young D., Manning A. J., Stavert A. R., Spain T. G., Salameh P. K., Harth C. M., Simmonds P. G., Sturges W. T., Oram D. E., Derwent R. G. Greenhouse gas measurements from a UK network of tall towers: technical description and first results // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. V. 11. P. 1437–1458. DOI: 10.5194/amt-11-1437-2018.
- State of the Global Climate 2020: Provisional Report / World Meteorological Organization, 2020. 38 p. https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10444.
- Taylor T. E., O’Dell C. W., O’Brien D. M., Kikuchi N., Yokota T., Nakajima T. Y., Ishida H., Crisp D., Nakajima T. Comparison of Cloud-Screening Methods Applied to GOSAT Near-Infrared Spectra // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. No. 1. P. 295–309. https://doi.org/10.1109/TGRS.2011.2160270.
- The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI) / ed. Montzka S. A.; NOAA Global Monitoring Laboratory. 2022. https://gml.noaa.gov/aggi/aggi.html.
- Trokhimovskiy A., Korablev O., Ivanov Y. S., Siniyavsky I. I., Fedorova A., Stepanov A. V., Titov A. Y., Moiseev P. P., Kozlova T. O., Montmessin F. Middle-infrared echelle cross-dispersion spectrometer ACS MIR for the ExoMars Trace Gas Orbiter // Infrared Remote Sensing and Instrumentation XXIII: Proc. SPIE. San Diego. 2015. V. 9608. Art. No. 960808. https://doi.org/10.1117/12.2190359.
- Uchino O., Kikuchi N., Sakai T., Morino I., Yoshida Y., Nagai T., Shimizu A., Shibata T., Yamazaki A., Uchiyama A., Kikuchi N., Oshchepkov S., Bril A., Yokota T. Influence of aerosols and thin cirrus clouds on the GOSAT-observed CO2: a case study over Tsukuba // Atmospheric Chemistry and Physics. 2012. V. 12. P. 3393–3404. https://doi.org/10.5194/acp-12-3393-2012.
- Wang Q., Yang Z.-D., Bi Y.-M. Spectral parameters and signal-to-noise ratio requirement for TANSAT hyper spectral remote sensor of atmospheric CO2 // Remote Sensing of the Atmosphere, Clouds, and Precipitation: Proc. SPIE. Beijing. 2014. V. 9259. Art. No. 92591T. https://doi.org/10.1117/12.2067572.
- Wendisch M., Pilewskie P., Jäkel E., Schmidt S., Pommier J., Howard S., Jonsson H. H., Guan H., Schröder M., Mayer B. Airborne measurements of areal spectral surface albedo over different sea and land surfaces // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2004. V. 109. Art. No. D08203. https://doi.org/10.1029/2003JD004392.