Космический эксперимент Конвергенция: научные задачи, бортовая аппаратура, методики решения обратных задач

Цель настоящей работы – детальное ознакомление широкой научной общественности с предлагаемой космической миссией «Конвергенция» на российском сегменте Международной космической станции. Принципиальной особенностью миссии является, во-первых, необходимость создания нового типа многочастотных радиотепловых бортовых комплексов со специализированным набором рабочих частот и с формированием алгоритмов и программного обеспечения для трехмерного восстановления поля водяного пара в нижней тропосфере, для оценки горизонтальной адвекции и конвективных потоков скрытого тепла на различных высотах и с различными формами границ исследуемых областей. Важной частью миссии, во-вторых, является глобальный мониторинг оптической транзиентной активности, включая молнии в облачных системах тропосферы и электрические разряды в верхней атмосфере, сопровождающиеся разнообразным кратковременным оптическим свечением, имеющим общее названия transient luminous events. Существенным вкладом в выяснение физики и разработки моделей высотных электрических разрядов является синхронное функционирование детектора молний и гамма-детектора для поиска и исследований гамма-всплесков земного происхождения, в том числе, и в ранее не исследованных широтах до ±51. Представляется, что предлагаемая приборная компоновка и комплексность миссии, включающая в себя синхронное функционирование приборов различных диапазонов электромагнитного излучения как микроволнового диапазона, так и оптического и гамма-диапазона, позволит внести существенный вклад в выяснение физики процессов взаимодействия катастрофических атмосферных явлений гидродинамического типа – тропических циклонов – с электроактивностью тропосферных облачных систем (полем молниевых разрядов) и активностью высотных электрических разрядов, что, в свою очередь, может послужить серьезной экспериментальной основой для формирования физических представлений о генезисе гамма-всплесков земного происхождения.

Ключевые слова

спутниковое микроволновое зондирование, интегральное паросодержание атмосферы, пространственно-временная интерполяция, спутниковое радиотепловидение, скорость и направления приповерхностного ветра, молниевая активность, гамма-всплески земного происхождения

Источник финансирования

Исследования процессов переноса скрытого тепла в атмосфере Земли по данным спутникового радиотепловидения, разработка технологического облика космической аппаратуры МИРС проведены в рамках государственного задания по теме Мониторинг (Гос. рег. № 01.20.2.00164); решение фунда- ментальной проблемы создания нового дифференциального метода измерения профиля концентрации водяного пара в тропосфере Земли на основе многоканального космического радиометра с предельными характеристиками выполнялось в рамках гранта РФФИ №18-02-01009.

Получено

22.12.2018

Дата публикации

22.12.2018

Цитировать Скачать pdf Для скачивания PDF необходимо авторизоваться

ГОСТ	Шарков Е. А. , Кузьмин А. В. , Jeong S. Космический эксперимент «Конвергенция»: научные задачи, бортовая аппаратура, методики решения обратных задач // Исследование Земли из космоса – 2018. – Номер 4 C. 71-96 [Электронный ресурс]. URL: http://ras.jes.su/izk/s207987840001554-8-1 (дата обращения: 27.04.2024). DOI: 10.31857/S020596140002356-2
MLA	Sharkov, E., Kuzmin, A., Jeong, S. "Space Experiment «Convergence»: Scientifi c Objectives, On-Board Equipment, Methods of Reverse Problems." Issledovanie Zemli iz kosmosa 4 (2018):71-96. DOI: 10.31857/S020596140002356-2
APA	Sharkov E., Kuzmin A., Jeong S. (2018). Space Experiment «Convergence»: Scientifi c Objectives, On-Board Equipment, Methods of Reverse Problems. Issledovanie Zemli iz kosmosa (4), pp.71-96 DOI: 10.31857/S020596140002356-2

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.

всего просмотров: 1591

Оценка читателей: голосов 0

1. Богомолов В.В., Панасюк М.И., Свертилов С.И., Богомолов А.В., Гарипов Г.К., Июдин А.Ф., Климов П.А., Климов С.И., Мишиева Т.М., Минаев П.Ю., Морозенко В.С., Морозов О.В., Позаненко А.С., Прохоров А.В., Роткель Х. Наблюдение гамма-всплесков земного происхождения в космическом эксперименте РЭЛЕК на спутнике Вернов // Космич. исслед. 2017. Т. 55. № 3. С. 169–178.

2. Болдырев В.В., Горобец Н.Н., Ильгасов П.А. и др. Спутниковый микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2008. Вып. 5. Т. 1. С. 243–248.

3. Гуревич А.В., Зеленый Л.М., Климов С.И. Научные задачи миссии «Чибис-М» // Миссия «Чибис-М»: сб. тр. выездн. сем. / Под ред. Р.Р. Назирова. Россия, Таруса, 24–27 февр. 2009. М.: ИКИ РАН, 2009. С. 7–25.

4. Ермаков Д.М. Использование информации о тропосферной динамике при радиотепловом дистанционном зондировании вертикального профиля влажности атмосферы // Журн. радиоэлектроники (электронный журнал). 2017а. № 12. http://jre.cplire.ru/jre/dec17/15/text.pdf.

5. Ермаков Д.М. Анализ трехмерной структуры поля влагосодержания атмосферы как задача технического зрения / 15-я Всер. откр. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: тез. докл. ИКИ РАН, Москва, 13–17 ноября 2017. 2017б. С. 458.

6. Ермаков Д.М. Глобальная циркуляция скрытого тепла в атмосфере Земли по данным спутникового радиотепловидения // Исслед. Земли из космоса. 2018. № 3. (в печати).

7. Ермаков Д.М., Раев М.Д., Суслов А.И., Шарков Е.А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля Земли в контексте многомасштабного исследования системы океан–атмосфера // Исслед. Земли из космоса. 2007. № 1. С. 7–13.

8. Ермаков Д.М., Чернушич А.П., Шарков Е.А., Покровская И.В. Поиск источника энергии при интенсификации ТЦ Katrina по данным микроволнового спутникового зондирования // Исслед. Земли из космоса. 2012а. № 4. С. 47–56.

9. Ермаков Д.М., Чернушич А.П., Шарков Е.А. Детализация фаз развития ТЦ Katrina по интерполированным глобальным полям водяного пара // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2012б. Т. 9. № 2. С. 207–213.

10. Ермаков Д.М., Шарков Е.А., Чернушич А.П. Возможности количественного описания мезомасштабных процессов в атмосфере на основе анимационного анализа // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 4. С. 153–162.

11. Ермаков Д.М., Шарков Е.А., Чернушич А.П. Спутниковое радиотепловидение на синоптических и климатически значимых масштабах // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 5. С. 3–9.

12. Ермаков Д.М., Шарков Е.А., Чернушич А.П. Циркуляция скрытого тепла в атмосфере Земли: анализ 15 лет радиотепловых спутниковых измерений // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 6. С. 9–27.

13. Кузнецов В.Д., Ружин Ю.Я., Синельников В.М. Геофизические эксперименты на МКС // Космічна наука і технол. 2011. Т. 17. № 1. С. 12–16.

14. Покровская И.В., Шарков Е.А. Тропические циклоны и тропические возмущения Мирового океана: хронология и эволюция. Верс. 3.1. (1983–2005). М.: Полиграф сервис, 2006. 728 с.

15. Покровская И.В., Шарков Е.А. Тропические циклоны и тропические возмущения Мирового океана: хронология и эволюция (2006–2010). Верс. 4.1. М.: КДУ, 2011. 212 с.

16. Покровская И.В., Шарков Е.А. Тропические циклоны и тропические возмущения Мирового океана: хронология и эволюция (2011–2015). Верс. 5.1. М.: КДУ, 2016. 162 с.

17. Стерлядкин В.В., Шарков Е.А. Дифференциальные радио тепловые методы определения вертикального профиля водяного пара в тропосфере и стратосфере Земли // Исслед. Земли из космоса. 2014. № 5. С. 15–28.

18. Стерлядкин В.В., Пашинов Е.В., Кузьмин А.В., Шарков Е.А. Дифференциальные радиотепловые методы восстановления профиля влажности атмосферы с борта космических аппаратов // Исслед. Земли из космоса. 2017а. № 2. С. 64–76.

19. Стерлядкин В.В., Пашинов Е.В., Кузьмин А.В., Шарков Е.А. Влияние подстилающей поверхности на точность дифференциальных радиометрических измерений профиля водяного пара в нижней тропосфере со спутников // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2017б. Т. 14. № 5. С. 268–277.

20. Черненко А.М. О связи гамма-всплесков земного происхождения (TGF) с распределением примесей в тропосфере // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2018. (в печати).

21. Шарков Е.А. Дистанционные исследования атмосферных катастроф // Исслед. Земли из космоса. 2010. № 1. С. 52–68.

22. Шарков Е.А., Ким Г.А., Покровская И.В. Эволюция тропического циклона Gonu и его связь с полем интегрального водяного пара в экваториальной области // Исслед. Земли из космоса. 2008. № 6. С. 25–30.

23. Шарков Е.А., Ким Г.А., Покровская И.В. Эволюция тропического циклона Hondo в поле экваториального водяного пара с использованием мультиспектрального подхода // Исслед. Земли из космоса. 2011а. № 1. С. 22–29.

24. Шарков Е.А., Ким Г.А., Покровская И.В. Энергетическиособенности множественного тропического циклогенеза по мультиспектральным спутниковым наблюдениям // Исслед. Земли из космоса. 2011б. № 2. С. 18–25.

25. Шарков Е.А., Шрамков Я.Н., Покровская И.В. Особенности экваториального поля водяного пара при эволюции тропического циклона (ТЦ) на примере ТЦ Francisco (2001) // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2011в. Т. 8. № 3. С. 310–316.

26. Шарков Е.А., Шрамков Я.Н., Покровская И.В. Критический параметр генезиса тропических циклонов в глобальном поле интегрального водяного пара // Совр. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 1. С. 280–286.

27. Шарков Е.А., Шрамков Я.Н., Покровская И.В. Повышенное содержание водяного пара в атмосфере тропических широт как необходимое условие генезиса тропических циклонов // Исслед. Земли из космоса. 2012. № 2. С. 73–82.

28. Albrecht R.I., Goodman S.J., Petersen W.A., Buechler D.E., Bruning E.C., Blakeslee R.J., Christian H.J. The 13 Years of TRMM Lightning Imaging Sensor: From Individual Flash Characteristics to Decadal Tendencies // 14th Int. Conf. Atmos. Elec. Aug. 8–12, Rio de Janeiro, Brazil. 2011.

29. Albrecht R.I., Goodman S., Buechler D., Blakeslee R., Christian H. Where are the lightning hotspots on Earth? // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2016. V. 97. P. 2051–2068.

30. Archer C.L., Caldeira K. Historical trends in the jet streams // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. № 8. L08803. doi: 10.1029/2008GL033614.

31. Beirle S., Koshak W., Blakeslee R., Wagner T. Global patterns of lightning properties derived by OTD and LIS // Nat. Hazards and Earth Syst. Sci. 2014. V. 14. P. 2715–2726.

32. Bommarito J.J. DMSP Special Sensor Microwave Imager Sounder (SSMIS) // Proc. SPIE. 1993. V. 1935. P. 230–238.

33. Briggs M., Xiong S., Connaughton V. et al. Terrestrial gamma-ray fl ashes in the Fermi era: Improved observations and analysis methods // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 3805–3830.

34. Briggs M., Connaughton V., Stanbro M. et al. The First Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) Terrestrial Gamma-ray Flash (TGF) Catalog // EGU Gen. Assem. 2015а. id. 9961.

35. Briggs M.S., Wersinger J.M., Fogle M. Jr., Biaz S., Jenke P. (2015b) TRYAD: a Pair of CubeSats to Measure Terrestrial Gamma-ray Flash Beams // Amer. Geophys. Un., Fall Meeting 2015. 2015. Abstr. id. AE33A-0481.

36. Christian H.J., Blakeslee R.J., Boccippio D.J., Boeck W.L., Buechler D.E., Driscoll K.T., Goodman S.J., Hall J.M., Koshak W.J., Mach D.M., Stewart M.F. Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № D1. P. ACL4-1–ACL4-15.

37. Connaughton V., Briggs M.S., Xiong S. et al. Radio signals from electron beams in terrestrial gamma ray fl ashes // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. № 5. P. 2313–2320.

38. Emanuel K. How hurricanes respond to climate change. Лекция в Корнельском унив. 2017. (электр. рес.). Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=8cmORDsAS0s

39. Ermakov D.M., Sharkov E.A., Chernushich A.P. Satellite radiothermovision of atmospheric mesoscale processes: case study of tropical cyclones // The Int. Arch. Photogr., Rem. Sens. and Spa. Inf. Sci.–ISPRS Arch. 2015. V. 15. № 7/W3. P. 179–186.

40. Ermakov D.M., Sharkov E.A., Chernushich A.P. A multisensory algorithm of satellite radiothermovision // Izv. Atm. and Oc. Phys. 2016. V. 52. № 9. P. 1172–1180.

41. Fishman G.J., Bhat P.N., Mallozzi R., Horack J.M., Koshut T., Kouveliotou C., Pendleton G.N., Meegan C.A., Wilson R.B., Paciesas W.S., Goodman S.J., Christian H.J. Discovery of Intense Gamma-Ray Flashes of Atmospheric Origin // Science. 1994. V. 264. № 5163. P. 1313–1316.

42. Fu Q., Johanson C.M., Wallace J.M., Reichler T. Enhanced midlatitude tropospheric warming in satellite measurements // Science. 2006. V. 312. № 5777. P. 1179.

43. Gangwar R.K., Gohil B.S. Retrieval of Layer Averaged Relative Humidity Profi les from MHS Observations over Tropical Region // Int. J. Atm. Sci. 2014. V. 2014. Article ID 645970.

44. Gjesteland T., Ostgaard N., Collier A.B. et al. Confi ning the angular distribution of terrestrial gamma ray flash emission // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A11313.

45. Gohil B.S., Mathur A.K. Atmospheric humidity profi le retrieval algorithms for Megha-Tropiques SAPHIR: a simulation study and analysis of AMSU-B data // Rem. Sens. Atm. and Clouds: Proc. SPIE. 2006. V. 6408. P. 640803-1–640803-9.

46. Grefenstette B.W., Smith D.M., Hazelton B.J., Lopez L.I. First RHESSI terrestrial gamma ray fl ash catalog // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. Iss. A2. Cite ID A02314.

47. Grove J.E., Chekhtman A. Fermi LAT Collaboration, Am. Astron. Soc., HEAD meeting № 13, № 127.27. 2013.

48. Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm // Phys. Lett. A. 1992. V. 165. P. 463–468.

49. Gurevich A.V. et al. Upper Limit of Gamma Ray Flux in Intra-cloud Discharges from Observations on-board Chibis-M Microsatellite // J. Atm. and Solar-Terrestr. Phys. 2018. (submitted).

50. Holzworth R.H. World Wide Lightning Location Network. URL: http://wwlln.net (2018).

51. Hudson R.D., Andrade M.F., Follette M.B., Frolov A.D. The total ozone field separated into meteorological regimes – Part II: Northern Hemisphere mid-latitude total ozone trends // Atm. Chem. and Phys. 2006. V. 6. № 12. P. 5183–5191.

52. Hu Y., Fu Q. Observed poleward expansion of the Hadley circulation since 1979 // Atm. Chem. and Phys. 2007. V. 7. № 19. P. 5229–5236.

53. Huntrieser H., Schlager H., Feigl C., Holler H. Transport and production of NOx in electrifi ed thunderstorms: Survey of previous studies and new observations at midlatitudes // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № D21. P. 28,247–28,264.

54. Jaegle L., Steinberger L., Martin R.V., Chance K. Global partitioning of NOx sources using satellite observations: Relative roles of fossil fuel combustion, biomass burning and soil emissions // Faraday Disc. 2005. V. 130. P. 407–433.

55. Jeong S. et al. UBAT of UFFO/Lomonosov: The X-ray Space Telescope to Observe Early Photons from Gamma-ray Bursts // Space Sci. Rev. 2018. V. 218. P. 16.

56. Kang S.M., Seager R. Croll revisited: Why is the northern hemisphere warmer than the southern hemisphere? // Clim. Dynam. 2015. V. 44. № 5–6. P. 1457–1472.

57. Koshak W.J. A mixed exponential distribution model for retrieving ground fl ash fraction from satellite lightning imager data // J. Atm. Ocean. Techn. 2011. V. 28. P. 475–492.

58. Koshak W.J. Lightning NOx estimates from space-based lightning imagers // 16th Annual Community Modeling and Analysis System (CMAS) Conf. Chapel Hill, NC, Oct. 23–25, 2017.

59. Koshak W.J, Cummins K.L., Buechler D.E., Vant-Hull B., Blakeslee R.J., Williams E.R., Peterson H.S. Variability of CONUS lightning in 2003–12 and associated impacts // J. Appl. Meteor. Clim. 2015. V. 54. P. 15–41.

60. Kotov Yu., Arkhangelskaja I., Arkhangelsky A. et al. The study of cosmic gamma-emission nonstationary fl uxes characteristics by the AVS-F apparatus data // The Coronas-F Space Mission: Key Results for Solar Terrestrial Physics / Ed. V.D. Kuznetsov. Springer, 2014. P. 175–256.

61. Marisaldi M., Fuschino F., Tavani M. et al. Properties of terrestrial gamma ray fl ashes detected by AGILE MCAL below 30 MeV // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 1337.

62. Mathur A.K., Gangwar R.K., Gohil B.S., Sanjib K. Deb, Prashant Kumar, Munn V., Shukla B. Simon, Pal P.K. Humidity profi le retrieval from SAPHIR on-board the Megha-Tropiques // Current Sci. 2013. V. 104. № 12. P. 1650–1655.

63. Murray L.T. Lightning NOx and Impacts on Air Quality // Curr. Pollut. Rep. 2016. V. 2. P. 115–133.

64. Neubert T., Kuvvetli I., Budtz-Jorgensen C., Ostgaard N., Reglero V., Arnold N. The Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) for the International Space Station // ILWS Workshop 2006. Goa, Feb. 19–20, 2006.

65. Ostgaard N., Gjesteland T., Hansen R.S. et al. The true fl uence distribution of terrestrial gamma fl ashes at satellite altitude // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A03327.

66. Ostgaard N., Gjesteland T., Carlson B.E. Simultaneous observations of optical lightning and terrestrial gamma ray fl ash from space // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 2423–2426.

67. Palmen E., Newton C.W. Atmospheric circulation systems: Their structural and physical interpretation. N.Y.: Acad. Press, 1969. 603 p.

68. Pan Y., Li L., Jiang X., Li G., Zhang W., Wang X., Ingersol A.P. Earth’s changing global atmospheric energy cycle in response to climate change // Nature Comm. 2017. V. 8. Article number 14367. doi: 10.1038/ncomms14367.

69. Reichler T. Changes in the atmospheric circulation as indicator of climate change. In: Climate change: Observed impacts on planet Earth / Еd. T.M. Letcher. Elsevier, 2009. P. 145–164.

70. Rosenlof K.H. Transport changes inferred from HALOE water and methane measurements // J. Meteorol. Soc. Japan. 2002. V. 80. № 4B. P. 831–848.

71. Sarria D., Lebrun F., Blelly P.-L., Chipaux R., Laurent P., Sauvaud J.-A., Prech L., Devoto P., Pailot D. TARANIS XGRE and IDEE detection capability of terrestrial gamma-ray fl ashes and associated electron beams // Geosci. Instrum. Methods and Data Syst. 2017. V. 6. № 2. P. 239–256. doi: 10.5194/gi-6-239-201

72. Seidel D.J., Randel W.J. Recent widening of the tropical belt: Evidence from tropopause observations // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. Iss. D20. D20113. doi: 10.1029/2007JD008861.

73. Seidel D.J., Fu Q., Randel W.J., Reichler T. Widening of the tropical belt in a changing climate // Nat. Geosci. 2008. V. 1. P. 21–24. doi: 10.1038/ngeo.2007.38.

74. Sharkov E.A. Remote sensing of tropical regions. N.Y. etc.: John Wiley and Sons/PRAXIS. Chichester, 1998. 310 p.

75. Sharkov E.A. Global Tropical Cyclogenesis. Berlin, Heidelberg, L., N.Y. etc.: Springer/PRAXIS, 2000. 361 p.

76. Sharkov E.A. Global Tropical Cyclogenesis / 2nd ed. Berlin, Heidelberg, L., N.Y. etc.: Springer/PRAXIS, 2012. 650 p.

77. Smith D.M., Hazelton B.J., Grefenstette B.W., Dwyer J.R., Holzworth R.H., Lay E.H. Terrestrial gamma ray flashes correlated to storm phase and tropopause height // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. Iss. 20. CiteID A00E49.

78. Sterlyadkin V.V., Pashinov E.V., Kuzmin A.V., Sharkov E.A. Differential Radiothermal Methods for Satellite Retrieval of Atmospheric Humidity Profile // Izv. Atm. and Oc. Phys. 2017. V. 53. № 9. P. 979–990.

79. Tavani M., Marisaldi M., Labanti C. et al. Terrestrial Gamma-Ray Flashes as Powerful Particle Accelerators // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. 018501.

80. Tierney D., Briggs M.S., Fitzpatrick G. et al. Fluence distribution of terrestrial gamma ray flashes observed by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 6644–6650.

81. Veraverbeke S., Rogers B.M., Goulden M.L., Jandt R.R., Miller Ch.E., Wiggins E.B., Randerson J.T. Lightning as a major driver of recent large fire years in North American boreal forests. // Nat. Clim. Change. 2017. V. 7. P. 529–534.

82. Weng F., Zou X. Introduction to Suomi national polar-orbiting partnership advanced technology microwave sounder for numerical weather prediction and tropical cyclone applications // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. 2156–2202.

83. Westcott N.E. Summertime cloud-to-ground lightning activity around major Midwestern urban areas // Appl. Meteorol. 1995. V. 34. P. 1633–1642.

84. Wunsch C. The total meridional heat flux and its oceanic and atmospheric partition // J. Clim. 2005. V. 18. № 21. P. 4374–4380.

85. Zhang W., Zhang Y., Zheng D., Wang F., Xu L. Relationship between lightning activity and tropical cyclone intensity over the northwest Pacific // J. Geophys. Res. Atm. 2015. V. 120. P. 4072–4089.