Η ανάπτυξη και η εφαρμογή της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα στην Κίνα.
Από RemoteSensing Wiki
Η ανάπτυξη και η εφαρμογή της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα στην Κίνα.
Πρωτότυπος Τίτλος: «The development and application of satellite remote sensing for atmospheric compositions in China»
Συγγραφείς:Xingying Zhang, Fu Wang, Weihe Wang, Fuxiang Huang, Binglong Chen, Ling Gao, Shupeng Wang, Huanhuan Yan, Hanhan Ye, Fuqi Si, Jin Hong, Xiaoying Li, Qiong Cao, Huizheng Che, Zhengqiang Li.
Σύνδεσμος : [1]
Λέξεις-Κλειδιά: Ατμοσφαιρική σύνθεση, Κινεζικές δορυφορικές αποστολές, Τηλεπισκόπηση, Αέρια θερμοκηπίου, Αεροζόλ.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Οι διακυμάνσεις των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων (atmospheric compositions- ACs) μπορούν να αλλάξουν τις ατμοσφαιρικές αλληλεπιδράσεις με άλλα μέρη του οικοσυστηματος , και επηρεάζει επίσης το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση διαδραματίζει καίριο ρόλο στην παρακολούθηση της σύνθεσης της ατμόσφαιρας. Αν και η Κίνα ξεκίνησε αποστολές εξερεύνησης του διαστήματος στις αρχές της δεκαετίας του 1970, υπήρχε έλλειψη επιχειρησιακών δορυφορικών αποστολών για μελέτη των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων μέχρι την έναρξη του 2008 με την εκτόξευση του FY-3A. Στην επόμενη δεκαετία, περισσότεροι κινέζικοι δορυφόροι τέθηκαν σε λειτουργία, και στη συνέχεια να οδηγήσαν σε άνθηση των σχετικών ερευνών για την ποιότητα του αέρα, και σε μετρήσεις αερίων θερμοκηπίου. Πιο συγκεκριμένα, εικόνες μέτριας ανάλυσης δορυφόρων πολικής τροχιάς από την αποστολή FY-3 χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα, και πιο πρόσφατες συγκρίσιμες εικόνες γεωστατικής τροχιάς από την αποστολή FY-4A θα μπορούσαν να παρέχουν παρόμοια δεδομένα παρατήρησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με υψηλότερη χρονική ανάλυση έως και πέντε λεπτά. Οι κινεζικές δορυφορικές αποστολές εξακολουθούν να αυξάνονται, παρόλου που έχουν περάσει μόνο μερικά χρόνια από την πρώτη εκτόξευσή τους. Απεικονίζονται επίσης νέες προγραμματισμένες αποστολές για την παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων μέσω οργάνων τηλεπισκόπησης, όπως ο lidar, που θα είναι σε θέση να βελτιώσουν την ακρίβεια των διαστημικών παρατηρήσεων.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα παίζουν σημαντικό ρόλο στα οικοσυστήματα, δεδομένου ότι εμπλέκονται στις αλληλεπιδράσεις της ατμόσφαιρας. Εκπομπές από ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν αλλάξει την ατμοσφαιρική σύνθεση. Ειδικότερα, οι εκπομπές αλογονανθράκων που εμπλέκονται σε χημικές αντιδράσεις έχουν οδηγήσει σε μια περιοχή με έλλειμμα όζοντος στη νότια πολική περιοχή, γνωστή ως «τρύπα του όζοντος». Οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου θα μπορούσαν να συμμετέχουν σε φωτο-καταλυτικές αντιδράσεις και να δημιουργήσουν όζον και φωτοχημική αιθαλομίχλη στην τροπόσφαιρα. Εκπομπές όξινων αερίων, όπως διοξειδίου του θείου (SO2), το διοξείδιο του αζώτου (NO2) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) μπορούν να οδηγήσουν στην καταστροφή της βιόσφαιρας και στο σχηματισμό όξινης βροχής. Διάφοροι τύποι αερολυμάτων που εκπέμπονται από τα αυτοκίνητα και το μαγείρεμα των τροφίμων οδηγούν σε αλλαγές τόσο στην ποιότητα του αέρα όσο και στο ισοζύγιο της γήινης ακτινοβολίας. Η ταχεία αύξηση των αερίων, συμπεριλαμβανομένου του CO2 και του μεθανίου, προκαλεί την ισχυρή απορρόφηση της επιφανειακής υπέρυθρης ακτινοβολίας και οδηγεί σε μια σειρά σχετικών περιβαλλοντικών θεμάτων, όπως το λιώσιμο των παγετώνων και άνοδος της στάθμης της θάλασσας. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, η εκτόξευση των μετεωρολογικών δορυφόρων σήμανε την αρχή μιας νέας εποχής για την παρατήρηση των παγκόσμιων ατμοσφαιρικών αιωρημάτων. Προηγμένα ραδιόμετρα πολύ υψηλής ανάλυσης (AVHRR) και η ατμοσφαιρική πολική δορυφορική σειρά (NOAA) για ανίχνευση ατμοσφαιρικών αερολυμάτων, ακολουθήθηκαν από πιο προηγμένα όργανα σε μεταγενέστερες αμερικανικές και ευρωπαϊκές αποστολές, όπως το φασματοφωτόμετρο απεικόνισης μέτριας ανάλυσης (MODIS), το φασματοφωτόμετρο απεικόνισης πολλαπλών γωνιών (MISR). Τέτοια όργανα αναπτύχθηκαν για να παρέχουν βαθιά γνώση ατμοσφαιρικής χημείας, ιδίως για το όζον, το διοξείδιο του θείου, το διοξείδιο του αζώτου, ακόμη και τη φορμαλδεΰδη (CH2O). Σήμερα, προηγμένοι πολυφασματικοί δέκτες σε γεωστατικούς δορυφόρους, όπως οι AHI/H8 και ABI/GOES-R, είναι ήδη σε θέση να παρέχουν λεπτομερή παρατήρηση της ποιότητας του αερολύματος για τον αέρα. Η πρώτη γενιά των κινεζικών μετεωρολογικών δορυφόρων κρίθηκαν ανεπαρκείς στην ανίχνευση ατμοσφαιρικών συνθηκών. Ωστόσο, ο πολικός δορυφόρος 2ης γενιάς FY-3A, που ξεκίνησε το 2008, αποτέλεσε ορόσημο στην παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων για το κινεζικό μετεωρολογικό δορυφορικό πρόγραμμα. Στις επόμενες δεκαετίες σημειώθηκε σημαντική πρόοδος στους αλγορίθμους ανάκτησης και στην επικύρωση της δορυφορικής παρατήρησης με τη χρήση επιτόπιων μετρήσεων.
2. Καθεστώς της κινεζικής δορυφορικής παρατήρησης για την ατμοσφαιρική σύνθεση
2.1. Κινεζικές δορυφορικές αποστολές που σχετίζονται με την ατμοσφαιρική σύνθεση
Τα κινεζικά διαστημικά προγράμματα ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1960. Μεταξύ αυτών, μετεωρολογικοί δορυφόροι ήταν οι πρώτοι που έλαβαν την έγκριση της κινεζικής κυβέρνησης. Μετά από δεκαετίες αναπτύχθηκε η πρώτη σειρά δορυφόρων Fengyun . Ειδικότερα, οι πολικοί μετεωρολογικοί δορυφόροι, δηλαδή η σειρά Fengyun 1 (FY-1), εκτοξεύτηκαν στη δεκαετία του 1980, ενώ οι γεωστατικοί μετεωρολογικοί δορυφόροι, γνωστοί ως Fengyun 2 (FY-2), τέθηκαν σε λειτουργία στα τέλη του 20ού αιώνα. Άλλες δορυφορικές αποστολές, όπως οι δορυφορικές σειρές που προορίζονται για τις εφαρμογές των χερσαίων πόρων, των ωκεανών, και προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν τεθεί σε εφαρμογή κατά την ίδια περίοδο. Μετά από χρόνια προσπάθειας, η δεύτερη γενιά της κινεζικής πολικής τροχιάς μετεωρολογικοί δορυφόροι, Fengyun 3 (FY-3), εκτοξεύθηκαν με επιτυχία από το 2008. Ο πρώτος δορυφόρος της σειράς FY-3, γνωστός ως FY3A, έχει γυρίσει ένα νέο κεφάλαιο στην ιστορία των κινεζικών διαστημικών αποστολών για τον εντοπισμό ατμοσφαιρικών αιωρημάτων. Ένας από του κύριους δέκτες, δηλαδή το Spectral Imager (MERSI), είναι ένας ραδιομετρικός δέκτης 20 καναλιών, για πολύ μικρά μέχρι και πολύ μεγάλα μήκη κύματος . Ο MERSI είναι επίσης ο πρώτος κινεζικός δορυφόρος τηλεπισκόπησης, ικανός να παρακολουθεί τόσο τα παγκόσμια ατμοσφαιρικά αερολύματα σε ημερήσια βάση, όσο και το προϊόν τους για την ανίχνευση σκόνης. Επιπλέον, άλλα δύο φασματοφωτόμετρα υπεριώδους ακτινοβολίας, το Total Ozone Unit (TOU) και Solar Backscatter Uv Sounder (SBUS), μπορούν να μετρήσουν τη συνολική ποσότητα του όζοντος και το προφίλ του όζοντος, αντίστοιχα. Οι MERSI, TOU και SBUS εξοπλίζουν το δορυφόρο FY-3B/C, ενώ το FY-3D που ξεκίνησε το Νοέμβριο του 2017 έχει αναβαθμισμένο και βελτιωμένο MERSI-II , γνωστό ως Φασματοσκόπιο απορρόφησης αερίων του θερμοκηπίου (GAS) με σκοπό την παρακολούθηση των εκπομπών CO2, CH4, CO και N2O. Αργότερα, το 2016, η δεύτερη γενιά των κινεζικών γεωστατικών μετεωρολογικών δορυφόρων, Fengyun-4A (FY-4A), ξεκίνησε με επιτυχία. Το προηγμένο πολυφασματικό σύστημα απεικόνισης επί του σκάφους FY-4A, γνωστό ως Advanced Geosynchronous Radiation ImagImager (AGRI), διαθέτει όργανα, όπως το MODIS και το MERSI, έτσι τα δεδομένα του μπορούν να εφαρμόσουν τους παρόμοιους αλγόριθμους της ανάκτησης οπτικού βάθους αερολύματος. Επιπλέον, πιο πρόσφατοι δορυφόροι είναι οι Gaofen-5 (GF-5) και China High-resolution Earth Observation System (CHEOS) που ξεκίνησαν τον Μάιο του 2018.
2.2. Όργανα ανίχνευσης αερολυμάτων και οι εφαρμογές τους
Η ανίχνευση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές των δεδομένων δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Εικόνες με ορατά κανάλια μπορούν όλα να εφαρμοστούν σε αλγόριθμους ανάκτησης του οπτικού βάθους αερολύματος. Το . Charge Coupled Device (CCD) είναι μια κάμερα που περιλαμβάνει τέσσερα κανάλια (430-520 nm, 520-600 nm, 630-690 nm και 760-900 nm) με χωρική ανάλυση 30 m. Δεδομένου ότι το κεντρικό μήκος κύματος της πρώτης ζώνης CCD είναι κοντά στην τρίτη ζώνη του MODIS και υπάρχει μια γραμμική σχέση μεταξύ αυτών των δύο, επομένως καθιερώθηκε και επικυρώθηκε η ανάκτηση του οπτικού βάθους των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων(AOD), που βασίζεται στα δεδομένα CCD και MODIS . Επιπλέον, η σειρά ΟΕ-3 της MERSI είναι το πρώτο κινεζικό όργανο που εφαρμόζεται για ανάκτηση των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων. Το MERSI έχει 19 κανάλια σε VIS/NIR/SWIR (ορατό/εγγύς υπέρυθρο/μέσο υπέρυθρο κ.α.) και μία σε θερμική ζώνη IR στα 10.0-12.5 μm για FY-3A/FY3B, ενώ η αναβαθμισμένη έκδοση MERSI-II/FY-3D έχει 25 κανάλια. Το πρόσφατα χρησιμοποιημένο όργανο, το DPC επί του GF-5 είναι ένας αισθητήρας πολλαπλών γωνιών με τρεις πολωμένες ζώνες (490 nm, 670 nm και 865 nm), πέντε μη πολωμένες ζώνες (443 nm, 565 nm, 763 nm, 765 nm και 910 nm) και μια σκούρα ζώνη που εγκαθίσταται σε έναν γρήγορα περιστρεφόμενο τροχό. Δεδομένου ότι τα πολωσιμετρικά κανάλια έχουν τρεις κατευθύνσεις πόλωσης (0°, 60° και 120°), ο DPC μπορεί να αποκτήσει συνεχείς εικόνες για πάνω από εννέα γωνίες θέασης.
2.3. Όργανα παρακολούθησης των αερίων θερμοκηπίου και εφαρμογές τους
Το ACGS επί του TanSat, είναι το πρώτο διαστημικό πρόγραμμα χαρτογράφησης της παγκόσμιας διανομής CO2, που στην πορεία ακολουθήθηκε από το GAS επί του FY-3D και GMI επί του GF-5. Και τα τρία αυτά όργανα είναι υπερφασματόμετρα σχεδιασμένα για τη μέτρηση της SWIR διασκορπισμένης ηλιακής ακτινοβολίας. Όλα καλύπτουν τις ασθενείς και ισχυρές ζώνες απορρόφησης CO2 (1,61 μm και 2,04 μm). Οι πιο πρόσφατοι παγκόσμιοι χάρτες κατανομής CO2 και CH4 προέρχονται από το GMI.
2.4. Επίγεια συστήματα παρατήρησης για την επικύρωση της ατμοσφαιρικής τηλεπισκόπησης
Το China Radiation Calibration Site (CRCS) είναι η πρώτη εγκατάσταση εδάφους για τη βαθμονόμηση και την επικύρωση των δεδομένων τηλεπισκόπησης στην Κίνα ξεκίνησε στα τέλη του 20ου αιώνα και στόχευε στην απόκτηση δεδομένων για την ατμοσφαιρική σύνθεση και την ανακλαστικότητα του εδάφους . Στη συνέχεια, τις επόμενες δύο δεκαετίες, αρκετά δίκτυα παρακολούθησης για τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα αναπτύχθηκαν. Τα δίκτυα αυτά συνέβαλαν σημαντικά στην επικύρωση των δορυφορικών δεδομένων. Το NETwork (SONET) δημιουργήθηκε για την παρακολούθηση των ιδιοτήτων των αερολυμάτων, ενώ πολλές θέσεις είναι εξοπλισμένες με φασματοσκόπια οπτικής απορρόφησης πολλαπλών αξόνων (MAX-DOAS). Επιπλέον, υπήρχαν μερικοί Κινέζοι in-situ σταθμοί με Φασματογράφους μετασχηματισμού Fourier (FTS), οι οποίοι έχουν γίνει μέρος του δικτύου παρατήρησης του άνθρακα και παρέχουν ακριβείς μετρήσεις του κλάσματος του ατμοσφαιρικού XCO2. Το εθνικό επίγειο δίκτυο παρατήρησης υπό την καθοδήγηση του China Meteorological Administration (CMA), ήτοι CARSNET, μπορεί να ανακτήσει δεδομένα για τις ιδιότητες των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων με υψηλή χρονική ανάλυση. Το δίκτυο αυτό ξεκίνησε το 2002 για παρακολούθηση αερολυμάτων σκόνης και περιλαμβάνονται 20 τοποθεσίες που βρίσκονται στη βόρεια και στη βορειοδυτική Κίνα. Μέχρισήμερα, έχει αναπτυχθεί το μεγαλύτερο επίγειο δίκτυο παρακολούθησης οπτικών ιδιοτήτων αερολύματος στην Κίνα, που αποτελείται από 80 τοποθεσίες σε όλη την Κίνα. Τα όργανα μέτρησης εδάφους που είναι εξοπλισμένα στις θέσεις CARSNET βαθμονομούνται τουλάχιστον μία φορά τον χρόνο για να εξασφαλίζεται η ακρίβεια της μέτρησης. Το MAX-DOAS ανακτά δεδομένα για τα τροποσφαιρικά αέρια, χρησιμοποιώντας τη διασκορπισμένη UV-vis ηλιακή ακτινοβολία. Το δίκτυο περιέχει 27 όργανα MAX-DOAS τα οποία εφαρμόζονται για την επικύρωση των δορυφορικών προϊόντων L2. Το δίκτυο αυτό παρακολουθεί κυρίως τα NO2, SO2 και CH2O. Αν και η αραιότητα της επίγειας παρατήρησης οδηγεί σε σημαντικούς περιορισμούς στην ανίχνευση του CO2 στην ατμόσφαιρα, η επίγεια παρατήρηση εξακολουθεί να αποτελεί αναπόσπαστο μέρος του παγκόσμιου συστήματος παρακολούθησης CO2. Το Δίκτυο Παρατήρησης Της Συνολικής Στήλης Άνθρακα (TCCON) είναι ένα δίκτυο επίγειων FTS που καταγράφουν την άμεση ηλιακή ακτινοβολία και ο κύριος στόχος του είναι παρέχουν ακριβείς και ακριβείς μετρήσεις του μέσου όρου της στήλης κλάσμα ξηρού αέρα γραμμομόριο ατμοσφαιρικού XCO2, καθώς και άλλων GHG (CH4),(CO) και ιχνοαερίων (N2O, H2O, HDO και HF).
3. Κινεζικά μελλοντικά σχέδια των ατμοσφαιρικών δορυφορικών αποστολών
Η Εθνική Επιτροπή Ανάπτυξης και Μεταρρύθμισης, Το Υπουργείο Υπουργείο Οικονομικών και η Κινεζική Εθνική Διαστημική Διοίκηση έχουν από κοινού καθιερώσει ένα στρατηγικό σχέδιο ανάπτυξης των μελλοντικών δορυφόρων και ιδίως την καλύτερη αξιολόγηση των επιπτώσεων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, καθώς και των επιπτώσεων των αερολυμάτων και της συγκέντρωσης αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. Υπάρχουν ήδη όργανα που θα περιλαμβάνονται στις επόμενες δορυφορικές αποστολές, για την παρακολούθηση του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος, όπως το δορυφορικό σύστημα παρακολούθησης (AEMS) και το δορυφόρο παρακολούθησης αερίων θερμοκηπίου υψηλής ακρίβειας (HGMS). Το όργανο GMI θα είναι ενσωματωμένο στο FY-3F και θα παρατείνει τη λειτουργία του για παρακολούθηση των θερμοκηπικών αερίων. Εκτός αυτού, ο GF-5(02) με επτά όργανα επί του σκάφους προβλέπεται να ξεκινήσει το 2020. Τόσο το AEMS όσο και το HGMS είναι νέοι ανιχνευτές για την παρατήρηση της ατμοσφαιρικής σύνθεσης, οι οποίοι προγραμματίζεται να εκτοξευτούν το 2021 και το 2023 αντιστοίχως. Επιπλέον, το AEMS θα είναι εξοπλισμένο με ενεργητικά και παθητικά όργανα, με στόχο τη μέτρηση σωματιδίων και της ποιότητας του αέρα με υψηλή ακρίβεια. Το AEMS είναι βασισμένο στην ίδια πλατφόρμα με το GF5, και διαμορφωμένο με πέντε όργανα, ένα ενεργό lidar, δύο πολωσίμετρα, ένα φασματογράφο και ένα land imager. Το HGMS θα σχεδιαστεί για να μεταφέρει έναν υπερφασματικό ήχο υπεριώδους ακτινοβολίας, είναι διαμορφωμένο με πέντε όργανα, ένα ενεργό lidar κι ένα πολωσίμετρο.
4. Περίληψη και συμπεράσματα Ο κινεζικός πολικός μετεωρολογικός δορυφόρος δεύτερης γενιάς, ΟΕ-3, ξεκίνησε την εποχή της διαστημικής παρατήρησης για την ατμοσφαιρική σύνθεση. Έκτοτε, τόσο η ικανότητα των οργάνων παρατήρησης όσο και οι σχετικές τεχνικές βαθμονόμησης και επικύρωσης έχουν βελτιωθεί. Ωστόσο, πριν από το ΟΕ-3Α, λίγες διαστημικές αποστολές ήταν αφιερωμένες στην παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων. Παρ'όλα αυτά, για την ανάκτηση του οπτικού βάθους των αιωρημάτων μπορούν να εφαρμοστούν κάμερες επί των CBERS-1 και HJ-1.Το όργανο MERSI που είναι ενσωματωμένο στον FY-3 μπορεί να επιτύχει την παγκόσμια κάλυψη του οπτικού βάθους των αιωρημάτων σε μία ημέρα, ενώ το γεωστατικό μέσο AGRI επί του FY-4 θα μπορούσε να παρέχει παρατηρήσεις με υψηλή χωροχρονική ανάλυση. Η πρώτη πολωμένη κάμερα πολλαπλών γωνιών DPC εξοπλισμένη στο GF-5 έχει επιτρέψει την ανάκτηση δεδομένων για τις ιδιότητες των αιωρημάτων, συμπεριλαμβανομένων των τύπων και των μεγεθών τους. Επιπλέον, το TOU και το SBUS επί του δορυφόρου FY-3 ήταν τα πρώτα όργανα που στόχευαν στην παρακολούθηση της συγκέντρωσης του όζοντος, ακολουθούμενα από το EMI και το AIUS επί του δορυφόρου GF-5. Εκτός από το διαστημικό κομμάτι, σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί και στις επίγειες μετρήσεις, ιδίως στα δίκτυα για τη βαθμονόμηση που έχουν συμβάλει σημαντικά στη διόρθωση της διαστημικής παρατήρησης σε σχέση με την ηπειρωτική Κίνα. Οι πληροφορίες που παρέχονται από αυτές τις παρατηρήσεις και ανακτήσεις είναι είναι πολύτιμες για την κατανόηση των κλιματικών αλλαγών και τον εντοπισμό των αιτίων τους. Όσον αφορά στις μελλοντικές εξελίξεις, η αξία των κινεζικών δορυφόρων τηλεπισκόπησης για παρακολούθηση του ατμοσφαιρικού αιωρήματος, μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω μέσω βαθμονόμησης από διαφορετικά όργανα για την ανάπτυξη μιας μακροπρόθεσμης καταγραφής δεδομένων. Τα μακροπρόθεσμα στοιχεία των παρατηρήσεων θα βοηθήσουν στην παρακολούθηση της σημερινής και της προηγούμενης παγκόσμιας μεταβολής του οικοσυστήματος της γης.
