Сравнительный анализ погрешности мониторинга энергетического бюджета Земли орбитальными космическими аппаратами и Лунной обсерваторией

Земной климат зависит от чрезвычайно сложного комплекса процессов, на которые в свою очередь влияют различные, в основном астрономические и геофизические факторы. Солнце, будучи единственным мощным источником энергии для Земли, является главным и основным фактором, управляющим климатической системой. Основополагающее значение для исследования закономерностей временной изменчивости климата имеет долговременные репрезентативные данные об изменениях глобальной энергетики земной климатической системы (Абдусаматов, 2017). В фазе спада квазидвухвекового цикла солнечной постоянной, начавшейся в ~1990 г., энергетическая мощность 11-летнего цикла последовательно уменьшается. Наблюдаемый долговременный отрицательный бюджет поглощаемой и излучаемой Землей в космос энергий, благодаря термической инерции Мирового океана, привел к уменьшению теплосодержания климатической системы. Приращение альбедо Бонда планеты на +0.0003 (0.1%) приведет к снижению температуры на ≈0.03 К, что эквивалентно снижению солнечной постоянной на 0.58 Вт/м2 (≈0.04%). Поэтому крайне необходимо измерять величину отклонения среднегодового энергетического бюджета планеты от равновесного состояния с погрешностью ≈0.1% в течение предстоящих многих десятилетий. Только долговременная разность приходных и расходных частей среднегодового энергетического бюджета Земли определит источники и стоки энергии в системе поверхность-атмосфера. Проведен сравнительный анализ погрешности измерения уходящих в космос во все направления энергий отраженного планетой солнечного излучения и собственного теплового излучения планеты Лунной обсерваторией и космическими аппаратами (КА) на геостационарной, солнечно-синхронной и в точке Лагранжа L1 системы Солнце-Земля орбитах. Измеряемая геостационарным спутником уходящих в космос энергий исходит от ограниченного объема системы поверхность-атмосфера, который имеет форму усеченного конуса (Harries et al., 2005). Излучения данного объема исходит от значимо большей площади поверхности, чем от площади вышележащих слоев атмосферы. Даже 14 спутников, равномерно распределенных вдоль экватора на геостационарной орбите, способны обеспечить покрытия поверхности Земли только до широт ±78°. Требуется построить теоретические модели для учета излучения, исходящего от невидимых этими спутниками полярных зон под всеми фазовыми углами, и обеспечить ежемесячной высокоточной калибровки их научных аппаратур между собой. Аналогичные измерения солнечно-синхронным спутником на полярной орбите проводится, когда солнечное излучение падает на поверхность практически под одинаковым фиксированным углом. Требуется почти сутки для полного обзора всей поверхности с последующим «сшиванием» полосы локальных измерений, полученных в разное время суток. Также создается теоретическая модель, которая описывает распределение интенсивности отраженного излучения во всех остальных направлениях в зависимости от типа поверхности, угла падения излучения, угла наблюдения и изменения сезонов. Реальная погрешность измерений величины уходящих в космос во все направления удельных мощностей отраженного планетой доли солнечного излучения, определяемой величиной альбедо Бонда планеты, и собственного теплового излучения солнечно-синхронным спутником находится на уровне порядка 1% (Trenberth et al., 2009; Loeb et al., 2009). КА в точке Лагранжа L1 системы Солнце-Земля может наблюдать всю поверхность планеты только в фазовом угле α = 0° и только в периодах, когда Луна не закрывает собой земной диск (DSCOVR, 2017). Необходимо построить теоретические модели для учета излучения отраженного и рассеянного солнечного излучения во всех остальных направлениях фазового угла. Всем орбитальным КА присуще относительно короткий срок их службы вследствие ограниченности энергетических возможностей. В результате невозможно получать достаточно длительные ряды высокоточных однородных репрезентативных данных, что существенно ограничивает их возможности для решения важнейших климатических проблем. В Лунной обсерватории система из двух оптических телескопов-роботов, функционируя как единый телескоп, последовательно будет обозревать со всех ракурсов всю земную поверхность практически во всех диапазонах фазовых углов непрерывно в ночное время в течение более 94% времени лунных суток (Абдусаматов, 2015, 2016, 2017). Лунная обсерватория впервые позволит наиболее надежно определять среднегодовые величины альбедо Бонда – всей потерянной Землей доли поступившей солнечной энергии и собственного теплового излучения Земли, а также величину отклонения среднегодового энергетического бюджета Земли от равновесного состояния с погрешностью ≈0.1% в течение достаточно длительного периода времени, существенно превосходящего 11-летний солнечный цикл. Определяемые Лунной обсерваторией однородные среднегодовые величины альбедо Бонда и собственного теплового излучения Земли будут практически на порядок точнее, чем определяемым любым орбитальным КА. Такие долгосрочные высокоточные, крайне необходимые однородные климатические данные не могут быть получены никакими другими космическими методами их прямых измерений. Другим актуальным направлением в области климатических исследований является анализ и определение влияния на климат Земли дополнительных выбросов и загрязнения атмосферы, вызванных использованием ранее запасенной энергии (уголь, нефть, торф). Уровень концентрации парниковых газов (главным образом, водяного пара и углекислого газа) в атмосфере определяет пропускание теплового излучения земной поверхности в космос через окна прозрачности, поскольку с увеличением глобальной концентрации парниковых газов пропускание атмосферы уменьшается. Наиболее значимое окно прозрачности земной атмосферы соответствует спектральному диапазону Δλ = 8-13 мкм. Поэтому для исследования долговременного изменения вклада теплового излучения земной поверхности, уходящее непосредственно через данное окно прозрачности атмосферы в космос, в общее суммарное излучение Земли в данном диапазоне длин волн в Лунной обсерватории предусмотрен специальный ИК-канал для мониторинга удельной мощности суммарного собственного теплового излучения планеты в окне прозрачности атмосферы Δλ = 8-13 мкм (Абдусаматов, 2016). Работа поддержана Программой 28 фундаментальных исследований Президиума РАН «Космос: исследования фундаментальных процессов и их взаимосвязей».