Группировка малых космических аппаратов для глобального метеорологического мониторинга на базе микроволнового радиометра-спектрометра

В работе рассмотрено современное состояние микроволнового радиометрического зондирования Земли. Использование микроволновых радиометрических систем дистанционного зондирования для прогнозирования погоды является наиболее эффективным и признано во всем мире. Микроволновые радиометрические системы, обладающие очень важным свойством всепогодности и глобальности, определяют такие параметры системы океан-атмосфера как интегральное содержания атмосферного водяного пара и содержания капельной влаги атмосферы, измерение интенсивности осадков и температуры поверхности океана, восстановление профилей влажности и температуры тропосферы, измерение скорости и направления ветра над морской поверхностью.
В мире на сегодняшний день работают и дают информацию около 30 микроволновых радиометров, в то время как в России существует только один микроволновый радиометр МТВЗА, с довольно своеобразным углом зондирования. Предлагается на базе микроволнового радиометра МИРС, разрабатываемого для космического эксперимента «Конвергенция» на РС МКС создать группировку малых космических аппаратов для глобального метеорологического наблюдения.
Микроволновый радиометр МИРС имеет 33 канала в частотном диапазоне 10,65…200 ГГц и традиционно используемые при коническом сканировании углы встречи с Землёй 53…56°, что позволяет одинаково хорошо восстанавливать как параметры атмосферы, так и параметры подстилающей поверхности. Кроме того, близость параметров зондирования МИРС на некоторых каналах с радиометрами SSMIS и ATMS позволит проводить взаимную калибровку.
Существенным преимуществом радиометра МИРС по сравнению с аналогами является наличие большего количества каналов для восстановления профилей влажности атмосферы. Существуют исследования показывающие, что измерения в полосе 183 ГГц плохо подходят для восстановления профиля влажности в слоях нижней тропосферы (0…4 км) из-за их низкой чувствительности к этим слоям (Стерлядкин и др. 2017), а именно в этих слоях находится до 80% влажности атмосферы. Прибор МИРС имеет семь радиометрических каналов в полосе 183 ГГц и три дифференциальных канала в полосе 22 ГГц. Применение дифференциального метода измерений в полосе 22 ГГц применяется впервые и предполагает улучшение качества восстановления профиля влажности в нижних слоях тропосферы. Радиометр МИРС позволит восстанавливать профиль влажности атмосферы в 8…10 слоях. По сравнению с аналогами это позволит существенно повысить разрешение и точность восстановления профиля водяного пара.
Ещё одним преимуществом МИРС по сравнению с аналогами является возможность восстановления направления приповерхностного ветра. Чтобы проводить подобные измерения, прибор должен обладать несколькими радиометрическими каналами с полным набором поляризаций (В, Г, ±45). Кроме того, необходима геометрия сканирования, позволяющая наблюдать одну и ту же область подстилающей поверхности под разными азимутальными углами. МИРС имеет три таких канала: 10,65 ГГц (В, Г, ±45); 18,7 ГГц (В, Г, ±45); 36,5 ГГц (В, Г, ±45). Сканирование МИРС проводится как в переднем, так и в заднем секторе обзора, что обеспечивает наблюдение подстилающей поверхности под различными азимутальными углами. Такая геометрия обзора позволяет использовать анизотропию взволнованной морской поверхности для восстановления направления ветра.
МИРС имеет уникальные характеристики необходимые для решения задач глобального метеорологического наблюдения, предсказания погоды и чрезвычайных ситуаций. МИРС обладает малым весом (50 кг) и малым потреблением энергии (менее 100 Вт), что позволяет установить его на малый космический аппарат с полезной нагрузкой до 300…500 кг.
Для синоптических процессов характерным пространственным масштабом являются 50 км, а временным несколько часов. Оптимальными параметрами для спутниковых данных микроволновой космической системы являются пространственное разрешение 10…12 км и временное 3…6 часов для анализа текущих атмосферных процессов, улучшения качества прогноза погоды и предсказания чрезвычайных ситуаций. Для решения этой задачи на орбите Земли должны находиться от 4 до 8 спутников с радиометрами на борту одновременно.
Создание и функционирование группировки малых спутников крайне необходимо для ежесуточного мониторинга тропического региона системы океан-атмосфера в течение длительного срока наблюдательного цикла (30-40 лет) с идентичной аппаратурой. Ближайшей целью такого мониторинга заключается в обнаружении физических причин в наступлении в монотонном ходе глобального потепления странной «паузы» с 2000 г. до настоящего времени с нулевым градиентом во временном ходе глобальной температуры, которую не удалось воспроизвести ни с помощью ни одной из существующих численных моделей глобального потепления (а их существует около 90 вариантов), ни с помощью чрезвычайных попыток климатологов модернизировать прежние модели, что вновь ставит на повестку дня острый вопрос о существовании совсем других факторов (неантропогенного типа) (Tremberth and Fasullo , 2013; Zhou et al., 2019).

Работа выполнена при поддержке темы «Мониторинг» (Государственное задание № 01.20.0.2.00164) и гранта РФФИ № 18-02-01009.