Clouds and the Earth's Radiant Energy System

CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) adalah instrumen satelit ilmiah, bagian dari Earth Orbiting System NASA, didesain untuk mengukur intensitas cahaya matahari yang dipantulkan dari dan emisi radiasi yang dipancarkan oleh permukaan atmosfer dan permukaan bumi. Sifat awan ditentukan dengan menggunakan pengukuran simultan oleh instrumen EOS lainnya seperti Moderate Resolution Imaging System (MODIS). Hasil dari penggunaan CERES dan misi NASA sebelumnya, seperti Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) akan menghasilkan pemahaman yang lebih baik terhadap peran awan bagi perubahan iklim dan siklus energi.

Penelitian CERES memiliki 4 tujuan:

Keberlanjutan data ERBE terhadap tingkat fluks radiasi pada atmosfer bagian atas untuk analisis perubahan iklim.
Menggandakan akurasi data tingkat fluks radiasi bagian atas atmosfer dan permukaan bumi.
Menyediakan data global mengenai tingkat fluks radiasi dalam atmosfer bumi untuk jangka panjang.
Menyediakan data sifat awan yang konsisten dengan tingkat fluks radiasi dari permukaan bumi hingga bagian atas atmosfer.

Instrumen CERES yang pertama diluncurkan di atas Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) NASA pada November 1997 dari Jepang. Tambahan empat instrumen CERES diluncurkan di atas satelit Terra EOS pada Desember 1999 dan satelit Aqua EOS pada mei 2003. Saat ini, semua instrumen CERES pada satelit Terra dan Aqua beroperasi. Setiap instrumen CERES adalah radiometer yang memiliki 3 channel: channel gelombang pendek untuk mengukur radiasi matahari yang dipantulkan dalam range 0,3 - 5 mikrometer, channel untuk mengukur emisi radiasi termal bumi dalam range 8 - 12 mikrometer, dan channel total untuk mengukur seluruh spektrum radiasi bumi yang keluar. Resolusi spasial CERES pada titik nadir adalah 10 km untuk CERES pada TRMM dan 20 km untuk CERES pada satelit Terra dan Aqua. Kalibrasi di tempat meliputi solar diffuser, sistem lampu wolfram dengan monitor stabilitas, dan sepasang unit benda hitam yang bisa dikontrol pada temperatur yang berbeda. Pengamatan dalam ruang angkasa yang dingin dan kalibrasi internal dilakukan selama proses scan bumi berlangsung secara normal. Selama bekerja, CERES menunjukkan stabilitas yang memadai.

Metode kalibrasi

Instrumen CERES dirancang untuk memberikan stabilitas dan presisi pengukuran yang lebih baik, namun mencapai dan memastikan akurasi absolut dari waktu ke waktu juga diketahui tetap menjadi tantangan yang berkelanjutan. Meskipun kemampuan CERES yang lebih maju untuk memantau fluks radiatif TOA Bumi secara global dan dengan akurasi relatif, satu-satunya cara praktis untuk memperkirakan besaran absolut EEI (pada tahun 2020) adalah melalui inventaris perubahan energi dalam sistem iklim. Akibatnya, kendala penting dalam produk data CERES adalah penjangkaran EEI pada satu titik waktu ke nilai yang sesuai dengan beberapa tahun data ARGO.

Kalibrasi absolut di darat
Kalibrasi dalam penerbangan
Interkalibrasi

Kalibrasi absolut di darat

Untuk misi rekaman data iklim (CDR) seperti CERES, akurasi sangat penting dan dicapai untuk pengukuran malam hari inframerah murni dengan menggunakan benda hitam yang dapat dilacak SI di laboratorium darat untuk menentukan perolehan radiometrik saluran total dan WN. Namun, ini tidak terjadi pada saluran surya CERES seperti SW dan bagian surya dari teleskop Total, yang tidak memiliki rantai langsung yang tidak terputus ke keterlacakan SI. Hal ini karena respons surya CERES diukur di darat menggunakan lampu yang energi keluarannya diperkirakan oleh detektor referensi rongga kriogenik, yang menggunakan teleskop Cassegrain perak yang identik dengan perangkat CERES agar sesuai dengan bidang pandang instrumen satelit. Reflektifitas teleskop yang dibangun dan digunakan sejak pertengahan 1990-an ini tidak pernah benar-benar diukur, diperkirakan hanya berdasarkan sampel saksi (lihat slide 9 dari Priestley et al. (2014)). Kesulitan dalam kalibrasi darat tersebut, dikombinasikan dengan dugaan kejadian kontaminasi di darat telah mengakibatkan perlunya membuat perubahan ground to flight yang tidak dapat dijelaskan dalam perolehan detektor SW sebesar 8%, hanya untuk membuat data ERB tampak agak masuk akal bagi ilmu iklim (perhatikan bahwa CERES saat ini mengklaim akurasi absolut SW satu sigma sebesar 0,9%).

Kalibrasi dalam penerbangan

Resolusi spasial CERES pada tampilan nadir (diameter setara tapak) adalah 10 km untuk CERES pada TRMM, dan 20 km untuk CERES pada satelit Terra dan Aqua. Barangkali yang lebih penting bagi misi seperti CERES adalah stabilitas kalibrasi, atau kemampuan untuk melacak dan membagi perubahan instrumental dari data Bumi sehingga melacak perubahan iklim yang sebenarnya dengan keyakinan. Sumber kalibrasi CERES yang dimaksudkan untuk mencapai hal ini bagi saluran yang mengukur pantulan sinar matahari meliputi penyebar surya dan lampu tungsten. Akan tetapi, lampu tersebut memiliki output yang sangat sedikit di wilayah panjang gelombang ultraviolet yang penting, tempat degradasi paling besar dan lampu tersebut telah terlihat mengalami pergeseran energi lebih dari 1,4% dalam uji darat, tanpa kemampuan untuk memantaunya di orbit (Priestley et al. (2001)). Penyebar surya juga telah mengalami degradasi yang sangat besar di orbit sehingga dinyatakan tidak dapat digunakan oleh Priestley et al. (2011). Sepasang rongga benda hitam yang dapat dikontrol pada suhu yang berbeda digunakan untuk saluran Total dan WN, tetapi ini belum terbukti stabil hingga lebih baik dari 0,5%/dekade. Pengamatan ruang angkasa dingin dan kalibrasi internal dilakukan selama pemindaian Bumi normal.

Interkalibrasi

Data dibandingkan antara instrumen CERES pada satelit misi yang berbeda, serta dibandingkan dengan data referensi pindaian dari spektroradiometer yang menyertainya (misalnya MODIS pada Aqua). Misi CLARREO Pathfinder yang direncanakan bertujuan untuk menyediakan standar referensi terkini untuk beberapa instrumen EOS yang ada termasuk CERES.

Sebuah studi tentang perubahan tahunan pada ketidakseimbangan energi Bumi (EEI) yang mencakup tahun 2005-2019 menunjukkan kesesuaian yang baik antara pengamatan CERES dan EEI yang disimpulkan dari pengukuran in-situ penyerapan panas laut oleh jaringan apung Argo. Sepasang studi bersamaan yang mengukur penyerapan panas laut global, pencairan es, dan kenaikan permukaan laut dengan kombinasi altimetri dan gravimetri ruang angkasa menunjukkan kesesuaian yang serupa.