I preparativi per il lancio del nuovo satellite di osservazione della Terra EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) a fine maggio sono in pieno svolgimento. La missione congiunta dell’Agenzia spaziale europea (ESA) e della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) misurerà nuvole, aerosol e radiazioni in modo più accurato che mai. Ciò sarà reso possibile collegando quattro strumenti all'avanguardia.
Tre cosiddetti processori, che l’Istituto Leibniz per la ricerca troposferica (TROPOS) ha sviluppato insieme ai partner, stanno dando un importante contributo alla missione. Questi algoritmi sono stati ora descritti in dettaglio in un numero speciale della rivista Atmospheric Measurement Techniques .
Il nuovo software consente di ricavare le proprietà delle nubi dallo spettrometro passivo (MSI), gli strati di aerosol e nubi dal lidar attivo ad alta risoluzione spettrale (ATLID), nonché i prodotti sinergici di nubi e aerosol da entrambi gli strumenti. È stato sviluppato un modello di classificazione degli aerosol (HETEAC) come base per la tipizzazione degli aerosol per garantire che questi calcoli funzionino tra i diversi dispositivi.
EarthCARE sarà il primo a combinare un lidar ad alta risoluzione spettrale e un radar per nuvole Doppler con sensori passivi, rendendola la missione satellitare più complessa mai lanciata nello spazio per studiare aerosol, nuvole e i loro effetti radiativi. Lo sviluppo di EarthCARE ha richiesto più di 15 anni ed è costato circa 800 milioni di euro.
Il satellite offre grandi opportunità per la scienza:la tecnologia all'avanguardia a bordo fornisce una varietà di dati che miglioreranno la precisione dei modelli climatici e supporteranno le previsioni meteorologiche numeriche.
Il satellite EarthCARE, lungo 17,2 metri, largo 2,5 metri, alto 3,5 metri e pesante circa 2.200 chilogrammi, è stato assemblato dal primo appaltatore tedesco Airbus a Friedrichshafen, testato approfonditamente insieme all'ESA e poi trasportato in aereo a Vandenberg (California, USA). ), dove verrà lanciato nella sua orbita target a un'altitudine di 393 chilometri da un razzo Falcon 9 della compagnia spaziale statunitense SpaceX alla fine di maggio.
L'Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) è dotato di quattro strumenti:un radar per nuvole Doppler, un lidar ad alta risoluzione spettrale, uno spettrometro per immagini e un radiometro a banda larga con tre diverse direzioni di visione. Gli strumenti forniranno osservazioni sinergiche di aerosol, nuvole, radiazioni e delle loro interazioni con una precisione senza precedenti.
Uno degli obiettivi della missione è riconciliare i flussi radiativi misurati e calcolati nella parte superiore dell'atmosfera per un'istantanea di 100 chilometri quadrati con una precisione di 10 Watt per metro quadrato, che migliorerebbe significativamente la conoscenza della forzatura radiativa globale.
I dati EarthCARE vengono calcolati quasi in tempo reale (near real time) utilizzando una sofisticata catena di elaborazione dei dati. Il lidar fornisce profili verticali e quindi una sezione trasversale dell'atmosfera lungo la traiettoria di volo del satellite.
Da ciò, gli algoritmi sviluppati da TROPOS ricavano l’altezza della parte superiore delle nuvole e l’altezza degli strati di aerosol, che possono essere costituiti, ad esempio, da polvere sahariana o fumo proveniente da grandi incendi boschivi. Questi algoritmi sono conosciuti anche come processori in gergo tecnico e rappresentano il cuore software dell'analisi dei dati.
Oltre al lidar, lo spettrometro a immagini consente di caratterizzare l’atmosfera utilizzando un’immagine orizzontale, ampia 150 km, delle proprietà delle nuvole e degli aerosol. Le proprietà micro e macrofisiche delle nuvole, come lo spessore ottico delle nuvole, il raggio delle goccioline delle nuvole e l'altezza superiore delle nuvole, vengono determinate utilizzando un altro processore sviluppato presso TROPOS.
Il terzo processore sviluppato da TROPOS combina le informazioni risolte in altezza del lidar con le informazioni orizzontali dello spettrometro per ottenere un'immagine tridimensionale migliorata dell'atmosfera lungo la traiettoria di volo del satellite in orbita terrestre. La classificazione degli aerosol in tutti gli algoritmi EarthCARE si basa sul modello HETEAC (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).
"Il modello di classificazione degli aerosol HETEAC sviluppato da TROPOS insieme ai partner svolge un ruolo centrale nell'elaborazione dei dati perché garantisce che gli apparecchi parlino, per così dire, la stessa lingua e che i loro dati forniscano un quadro generale uniforme", spiega il Dott. . Ulla Wandinger di TROPOS, che ha guidato lo sviluppo di questo modello.
Ma l'analisi dei dati del lidar e dello spettrometro include anche diversi decenni di know-how di TROPOS nell'osservazione di nuvole e aerosol.
"I metodi di recupero sviluppati nei nostri processori garantiranno un miglioramento significativo della qualità dei dati delle nuvole e degli aerosol", riferisce la dott.ssa Anja Hünerbein, che ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo del software per lo spettrometro passivo.
I ricercatori del TROPOS di Lipsia non hanno lavorato solo sul software, ma saranno anche coinvolti nel controllo e nella calibrazione dei dati. Questo perché è necessaria un'attenta convalida delle misurazioni per raggiungere gli ambiziosi obiettivi scientifici della missione EarthCARE.
L’infrastruttura di ricerca europea ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) svolge un ruolo importante nel processo di validazione. Le stazioni di telerilevamento ACTRIS sono attrezzate in modo ideale a questo scopo:l'attrezzatura standard, composta da un lidar ad alte prestazioni e un fotometro solare per le misurazioni degli aerosol, nonché un radar Doppler e un radiometro a microonde per le misurazioni delle nuvole, insieme alla garanzia di qualità ACTRIS concept, consente una revisione dettagliata di tutti i prodotti aerosol e cloud EarthCARE.
"I flussi di lavoro per l'osservazione, l'elaborazione e la fornitura di dati in tempo quasi reale sono già stati sviluppati e ampiamente testati. Per quest'estate stiamo organizzando una campagna con oltre 40 stazioni che durerà diversi mesi", afferma il Dr. Holger Baars di TROPOS, che sta coordinando la campagna. Oltre alle stazioni TROPOS di Lipsia (Germania), Mindelo (Capo Verde) e Dushanbe (Tagikistan), saranno coinvolte anche molte stazioni ACTRIS in tutta Europa.
Gli estesi sforzi di validazione portati avanti da TROPOS e da molti team di ricerca internazionali servono a controllare con precisione i processori sviluppati e le variabili misurate con essi determinate. Solo allora sarà davvero chiaro quanto bene le proprietà degli aerosol e delle nuvole e i loro effetti radiativi possano essere determinati da EarthCARE e come i dati misurati a livello globale possano essere utilizzati per migliorare la nostra comprensione dell'atmosfera.
Il nuovo "occhio" dell'Europa nello spazio sarà in grado di vedere le complicate interazioni tra nuvole, aerosol e radiazioni in modo più chiaro e preciso che mai con l'aiuto delle stazioni di terra.
Ulteriori informazioni: Robin J. Hogan et al, Prefazione al numero speciale "Algoritmi e prodotti di dati EarthCARE Level 2":Editoriale in memoria di Tobias Wehr, Atmospheric Measurement Techniques (2024). DOI:10.5194/amt-17-3081-2024
Fornito dall'Istituto Leibniz per la ricerca troposferica (TROPOS)
