Научные задачи космического эксперимента «Конвергенция»
на РС МКС

Исследование климата Земли, анализ и прогноз климатических изменений в широком диапазоне пространственно-временных масштабов, несомненно, представляют собой не только фундаментальную научную проблему для мирового научного сообщества, но и имеют очень важные социальные, гуманитарные и экономические аспекты. Длительное время экспериментальные исследования климата Земли проводились в основном при помощи зондирования контактными способами с поверхности Земли и дистанционными методами в ИК и оптическом диапазонах. Если первые обеспечивали только точечные измерения, то вторые при использовании восстановительных методик давали информацию о верхней тропосфере, стратосфере и, частично, в мезосфере и, в первую очередь, о содержании парниковых газов. И именно эта информация ложилась в основу противоречивых концепций по вариациям климата на планете. А наиболее насыщенная и деятельная часть атмосферы – а именно, нижняя и средняя тропосфера в глобальном аспекте практически не затрагивалась. А именно в этой части тропосферы происходили (и будут происходить) сложнейшие термогидродинамические процессы, которые приводили, в конце концов, к образованию мощных и опасных атмосферных катастроф – типа тропических циклонов и атлантических среднеширотных катастрофических циклонов, получивших название ураганов ( например, ураган Ксавье; октябрь, 2017г. ). В последние 20-30 лет по мере создания чувствительных радиотепловых комплексов, способных функционировать на КА в течении 10-20 лет (например, миссия DMSP), а также разработки сотрудниками ИКИ РАН и ИРЭ РАН методологии спутникового радиотепловидения ситуация в корне изменилась. Появилась возможность по спутниковым данным радиотеплового зондирования Земли восстанавливать поля интегральных по высоте геофизических характеристик нижней и средней тропосферы не только на моменты наблюдений, но и на промежуточные моменты времени, а также рассчитывать динамику этих полей в терминах скоростей адвекции, что позволяет использование полей скалярных геофизических величин и соответствующих векторных полей адвекции для расчета интегральных физических характеристик процессов, в частности – горизонтальных потоков скрытого тепла через заданные границы произвольного профиля. Единственным парниковым газом в атмосфере Земли, который имеет громадный термодинамический потенциал, является водяной пар, при этом принципиальную роль играют не только его пространственно-временное распределение в атмосфере Земли, но и особенности его высотного распределения. Сотрудниками ИКИ РАН показано, что основной энергетический вклад в генезис тропических циклонов вносят экваториальные (материнские) поля водяного пара, и при этом сам тропический циклон является переносчиком связанной с ним полей водяного пара ( модель «верблюда») в средние и высокие широты ( вплоть до 80 град. с. ш.). Таким образом, этот процесс является достаточно сильным и быстрым механизм выноса скрытой энергии и влаги из экваториального пояса в средние широты, что влияет на выравнивание воздействия парникового эффекта на термический режим атмосферы планеты.
Космический эксперимент (КЭ) «Конвергенция» на российском сегменте МКС, полное название которого «Определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы при исследовании генезиса атмосферных катастроф». Целью КЭ «Конвергенция», является исследование механизмов генезиса и эволюции крупномасштабных кризисных атмосферных процессов типа тропических циклонов и среднеширотных ураганов как одних из основных элементов в формировании глобального массо- и влагообмена в системе океан-атмосфера, измерение абсолютных радиояркостных температур системы атмосфера-океан тропиков в диапазоне 6…220 ГГц, определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы, проведение исследований по круглосуточному обнаружению вспышек молний, определение энергетических, пространственных и временных характеристик вспышек молний, определение зон грозовой деятельности.
Для проведения КЭ «Конвергенция» разрабатываются и устанавливаются сканирующий микроволновый радиометр-спектрометр (МИРС) и детектор молний (ДМ). В настоящее время проходит этап эскизного проекта разработки научной аппаратуры. Микроволновой радиометр-спектрометр МИРС предназначен для измерения радиотеплового излучения атмосферы Земли и её поверхности в микроволновом диапазоне и представляет собой многоканальный радиометр панорамного типа обзора со сканированием пространства лучами, вращающимися вокруг направления в надир под постоянным углом 48,7 – 49,8° (коническое сканирование) с периодом 1,3 с. При таком способе обзора поверхности Земли для высоты орбиты космического аппарата 410 км полоса обзора составит 830 км с разрешением по поверхности 10 км для высокочастотных каналов. Детектор молний предназначен для обнаружения вспышек молний в полосе захвата 680 км (формат кадра 680×550 км). Наблюдение вспышек молний ведётся в надир
Для решения проблемы наблюдения распределения водяного пара в нижней тропосфере сотрудниками ИКИ РАН был предложен новый метод дифференциальных измерений в полосе поглощения водяного пара с центром 22,235 ГГц. Метод заключается в использовании разности сигналов, измеренных на склоне линии поглощения водяного пара вместо традиционных одноканальных измерений. Слабое поглощение в полосе 22,235 ГГц приводит к тому, что у «дифференциального» сигнала появляется хорошая чувствительность к изменению влажности в нижних атмосферных слоях 0 – 4 км
Другой особенностью эксперимента является использование поляриметрических измерений для получения скорости и направления приповерхностного ветра. На трех частотных каналах: 10,65 ГГц; 18.7 ГГц и 36,5 ГГц измеряется три параметра Стокса собственного электромагнитного излучения морской поверхности, по которым возможно определить параметры вектора скорости ветра с точность ±1м/с и ±10º по направлению.