Satelity mierzą promieniowanie podczerwone (IR) za pomocą specjalistycznych czujników, takich jak radiometry czy spektrometry. Wykrywają one ciepło (emisję termiczną) z powierzchni Ziemi i atmosfery.
Przyrządy te rozróżniają poszczególne warstwy poprzez „dostrajanie się” do określonych długości fal podczerwieni pochłanianych i emitowanych przez gazy, takie jak dwutlenek węgla, para wodna, metan itp. Różne wysokości charakteryzują się unikalnymi „odciskami palców” spektralnych (tzw. liniami spektralnymi), które instrumenty satelitarne rejestrują. Pozwala to naukowcom tworzyć pionowe profile temperatury, wilgotności oraz stężeń gazów.
Badania warstw atmosfer
Niższe warstwy atmosfery są identyfikowane na podstawie promieniowania emitowanego przez cząsteczki pary wodnej oraz emisji powierzchniowej i atmosferycznej pozostałych cząsteczek gazów cieplarnianych.
Górna atmosfera jest badana za pomocą instrumentów wrażliwych na pomiary pasm absorpcyjnych cząsteczek CO₂, które po pochłonięciu energii wypromieniowują ciepło w postaci fotonów we wszystkich kierunkach. Urządzenia te dostarczają danych dotyczących temperatury na różnych wysokościach.
Fot. AIRS, czyli Atmospheric Infrared Sounder na satelicie Aqua NASA, zbiera energię podczerwoną emitowaną z powierzchni Ziemi i atmosfery na całym świecie, każdego dnia. Jego dane zapewniają trójwymiarowe pomiary temperatury i pary wodnej w kolumnie atmosferycznej, a także szeregu gazów śladowych, właściwości powierzchni i chmur. Dane AIRS są wykorzystywane przez centra prognozowania pogody na całym świecie do ulepszania swoich prognoz. Służą one również do oceny skuteczności modeli klimatycznych oraz w zastosowaniach od wykrywania pióropuszy wulkanicznych po prognozowanie suszy.
Kluczowe instrumenty i techniki
Radiometry / spektrometry
Instrumenty takie jak SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) czy SSU (Stratospheric Sounding Unit) rejestrują energię w zakresie podczerwieni w różnych kanałach (pasmach długości fal).
Detektory podczerwieni
Przyrządy technologiczne, takie jak mikrobolometry, wykrywają zmiany rezystancji wywołane ogrzewaniem detektora. Z kolei fotodetektory podczerwieni ze studnią kwantową (ang. QWIP – Quantum Well Infrared Photodetectors) wykorzystują studnie potencjału, które ograniczają przestrzennie nośniki ładunku poprzez bariery potencjału. Fotodetektory te wzbudzają elektrony i przekształcają fotony podczerwieni w sygnały elektryczne.
Pomiar różnych wysokości
Dolna atmosfera (troposfera/powierzchnia):
Czujniki rejestrują promieniowanie emitowane przez ciepłą powierzchnię Ziemi oraz niższe warstwy chmur.
Para wodna: Pasma wrażliwe na emisję pary wodnej pomagają w mapowaniu wilgotności i temperatury w troposferze.
Wierzchołki chmur: Zimniejsze wierzchołki wysokich chmur, umiejscowione na dużych wysokościach troposfery, pojawiają się na obrazach w podczerwieni jako jasne (białe), podczas gdy cieplejsze niskie chmury są szare. Umożliwia to pośrednie określanie wysokości chmur na podstawie temperatury, jak wskazują naukowcy z Penn State University.
Górna atmosfera (stratosfera / termosfera):
Instrumenty skupiają się na określonych pasmach podczerwieni, w których gazy takie jak dwutlenek węgla silnie pochłaniają i emitują energię, zwiększając „nieprzezroczystość” atmosfery w tych zakresach widma.
Modulacja ciśnienia: Niektóre instrumenty wykorzystują komórki z CO₂ o zmiennym ciśnieniu w celu izolowania emisji z różnych poziomów ciśnienia, co pozwala skutecznie „dostroić się” do określonych wysokości (np. 29 km, 37 km, 45 km).
Unikalne sygnatury: Tlenek azotu (NO) i CO₂ odgrywają kluczową rolę w chłodzeniu termosfery, emitując promieniowanie podczerwone, które ujawnia zmiany temperatury i gęstości tej warstwy.
Jak dane stają się profilami
Kanały spektralne wykazują charakterystyczne maksimum emisji lub absorpcji. Naukowcy wykorzystują modele transferu radiacyjnego do obliczania temperatury, wilgotności i stężeń gazów na różnych poziomach ciśnienia. Modele te stosowane w symulacjach komputerowych pozwalają następnie odtworzyć trójwymiarowe profile atmosferyczne.
Referencje
Portale:
Publikacje naukowe:
Likun Wang, Cheng-Zhi Zou & Haifeng Qian ; 2012 ; Construction of Stratospheric Temperature Data Records from Stratospheric Sounding Units ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/25/8/jcli-d-11-00350.1.xml
Stefano Della Fera ; 2023 ; On the Use of Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) Spectrally Resolved Radiances to Test the EC-Earth Climate Model (v3.3.3) in Clear-Sky Conditions ; Geoscientific Model Development ; https://gmd.copernicus.org/articles/16/1379/2023/