Эксперимент «РУСАЛКА» для отработки методики определения содержания углекислого газа и метана в

атмосфере Земли с борта МКС О. Кораблев, А. Трохимовский, И. Виноградов, А. Федорова, А. Иванов, А. Родин, Ю. Смирнов,

А. Калюжный, А. Титов, Ю. Калинников, В. Лякишев, Н. Саякина, В. Гнедых, О. ГригорянИнститут Космических Исследований РАНРакетно-космическая корпорация «Энергия»

Доклад представлен на конкурс Школы молодых ученых!

Постановка задачи• Углекислота CO2 и метан CH4 как основные парниковые газы играют важнейшую роль в тепловом балансе тропосферы и формирования климата Земли. Для понимания роли природных процессов и человеческой деятельности, регулирующих их атмосферное распределение, необходимы весьма точные и локализированные измерения концентрации.

Изменение концентрации основных парниковых газов в атмосфере*

Вклад основных парниковых газов в повышение температуры*

* - по данным доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата

Наблюдения CO2

Состояние проблемы

• Наземные станции, оборудованные Фурье-спектрометрамивысокого разрешения, требуют значительного времени для проведения одного измерения, в течение которого воздушная масса изменяется.

• Существующие оценки потоков CO2 в атмосфере полностью основываются на наземных станциях наблюдения. Ошибки оценок в таких регионах, как Африка или Южная Америка, очень велики, поскольку в этих регионах наземные станции наблюдения пространственно сильно удалены.

• Спутниковые измерения на основе спектрофотометрии, лидарныхметодов и зондирования в тепловом ИК-диапазоне либо недостаточно точны, либо ресурсоемки и громоздки, либо недостаточно быстры.

• Для небольших КА наиболее перспективны спектроскопические измерения в ближнем ИК-диапазоне с высоким спектральным разрешением, позволяющим различить отдельные ненасыщенные линии в слабых полосах CO2. При условии хорошего определении оптического пути относительная точность таких измерений может приближаться к отношению сигнал/шум спектрометра.

• Мониторинг содержания CO2 в атмосфере при помощи космических средств пока не получил развития, адекватного имеющемуся технологическому заделу.

• Измерения концентрации CO2, выполняемые с околоземной орбиты, будут способствовать качественно новому пониманию глобального кругооборота углекислоты. Необходима отработка эффективной методики таких измерений.

• Измерения CH4 в атмосфере позволят получить данные о его фоновом содержании, важную дополнительную информацию о состоянии ряда экосистем, а также определить существование дополнительных источников выброса в атмосферу в результате течи многочисленных газопроводов на территории нашей страны.

• Необходимы инструменты для мониторинга концентраций парниковых газов и определения их источников в соответствии с Киотским протоколом. Что позволит вырабатывать разумные меры по снижению их концентраций в национальных масштабах.

• Данные от таких инструментов позволят лучше оценивать потоки парниковых газов (выделение и поглощение) на субконтинентальном масштабе.

Постановка задачи

NASA• Орбита – 700 км• Полный цикл – 16 дней• Масса КА около 440кг.• Три различных спектрометра:

0.76 мкм (О2 – канал сравнения),1.58 мкм (CO2 - 1 канал),2.05 мкм (CO2 - 2 канал).

• Спектральное разрешение (λ/∆λ) -21000.

• Заявленная точность – 1 ppm.• Пространственное разрешение 1.5 км.• Полоса захвата 10 км.• «NASA's Launch of Carbon-Seeking

Satellite is Unsuccessful » Feb. 24, 2009

GOSAT - Greenhouse Gases Observing Satellite

Запущен 23 января 2009.Регулярные измерения начнутся в ближайшее время. Участники: Ministry of the Environment (MOE), the National Institute forEnvironmental Studies (NIES), and the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)

РУСАЛКАРУчной Спектральный АнаЛизатор

Компонентов Атмосферыинфракрасный спектрометр высокого спектрального и

пространственного разрешения для проведения

измерений содержания углекислого газа и метана. .

Полное наименование космического эксперимента –«Отработка методики определения содержания углекислого газа и метана в

атмосфере с борта МКС»

Background – Прибор SOIR на борту Venus Express, кооперация Россия-Франция-Бельгия, эшелле-спектрометр высокого разрешения с последовательной селекцией порядков дифракции.

Кооперация

•Ракетно-космическая корпорация «Энергия»

•Институт космических исследований (ИКИ РАН)

•Специальное конструкторское бюро космического приборостроения (СКБ КП ИКИ РАН), г. Таруса

Международная Космическая Станция (МКС)

20-ая экспедиция (21-ая, 22-ая….)

Важные даты в 2009 г.

• Январь-февраль. Финальная сборка, лабораторные калибровки

прибора.

• 30 марта. Сдача прибора в РКК Энергия

• Апрель-май. Тренировки космонавтов, выпуск борт

документации, планирование сеансов.

• 27 мая. Начало 20-й экспедиции на МКС

• 23 июня. Доставка на Байконур

• 24 июля. Запуск прибора на транспортном корабле

«Прогресс»

• Август. Получение первых данных с МКС.

Тренировки космонавтов в ЦПК

Подготовка к отправке на Байконур, 22 июня

14 августа 2009 года

Состав комплекта аппаратуры РУСАЛКА1. НА «РУСАЛКА» состоящая из:

– ИК-спектрометра высокого разрешения с системой регистрации и управления,

– механического интерфейса, состоящего из переходной платы с установленными адаптерами аккумулятора и крепления объектива;

– адаптер крепления ТИУС (трехстепенной измеритель угловых скоростей);– пульт управления;

2. фотооборудование (фотоаппарат Nikon D2Xs и объектив Nikkor 80-400 мм);3. кронштейн крепления на иллюминатор;4. аккумулятор;5. сменные Flash-карты;6. ТИУС;7. комплект кабелей и переходников

Общие параметры НА РУСАЛКА

• Масса 3.3 кг

• Электропитание 14.4 В

• Потребляемая мощность не более 10 Вт

• Поле зрения 3x30 угл. мин.

(0.4x4.0 км, с орбиты МКС км в надир)

• Длительность измерения от 3 мс до 5 с

• Спектральный диапазон 730-1680 нм, 62 порядка дифракции

• Рабочая длина волны СО2 1580 нм

• Рабочая длина волны СН4 1650 нм

• Рабочая длина волны О2 1270 нм, 760 нм

• Разрешающая сила ~ 20000

• Отношение сигнал/шум >500

• Размеры не более 235x280x160 мм

Эскиз оптической схемы НА РУСАЛКА

100 mm

·

На солнечный блик

Телескоп Щель

Коллиматор

Детектор

Дифракционная решетка

АОПФ

Принцип разделения порядков эшелле-решетки

λ1

λ2λ3

λ5

λn

λ6

λ4

λn+1

∆λ

λ0

λ

Многоэлементный детектор

угол

дифракции

Полоса

пропускания АОПФ

Дифракция произвольно поляризованного света в АОПФ

• For performing of each particular measurement, incoming radiation should be filtered, and being passed to the spectrometer microslit only within a narrow spectral interval, corresponding to a desired echelle-grating diffraction order.

• The selection is carried out by digital synthesizing of the appropriate frequency and power of the ultrasound acoustical wave, applied to the AOTF crystal by an integrated piezotransducer.

• This appears to be possible to match the AOTF bandpass and the echelle-grating free spectral range for the complete spectral interval, covered by InGaAs linear array detector used (by Hamamatsu, 512 pixels 25*500 µm, cut off 1,7 µm).

• However, the instant spectral interval, covered by the detector, can be matched to the FSR only for a “tradeoff” wavelength, given for reasons of data adequacy.

AOTF bandpass: 50 cm -1

Wavelength, µm

Ключевые компоненты

• Входной телескоп - линзовые дублеты F=120 мм, ø30 мм.

• Акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ)

кристалл парателлурита (TeO2), полоса пропускания 50 см-1 (FWHM), рабочий

диапазон 730-1680 нм, апертура 5x4 мм, угловая апертура ±2.5°, угол

дифракции ~ 5°.

• Коллиматор АОПФ – линзовые дублеты F=25 мм, ø10 мм.

• Входная микрощель (0.05x0.7 мм) формирует поле зрения прибора.

• Коллимационная оптика прибора - внеосевое (10°) параболическое зеркало

F=200 мм, 50x50x15 мм (F/D=6).

• Эшелле-решетка - 24.355 штр/мм, 70°, подложка 50x100x16 мм,

компании Newport/Spectra-Physics/Richardson Gratings.

• InGaAs детектор – линейка 512 пикселей, 25x500 мкм, компании Hamamatsu.

• Сохранение данных– flash-память MMC.

• Фотоаппарат Nikon D2Xs с объективом Nikkor 80-400 мм.

3D модель спектрометра

Функциональная схема работы моноблока НА «РУСАЛКА»

Трасса МКС

1) Быстрая запись основных спектральных интервалов

54580 (61)

41440 (47)

Фон 42380 (48)

52660 (59)

54580 (61)

CH4 CO2- H20 O2 (1.27) O2 (0.76)

Виды режимов работы

CH4 , 1.64 мкм CO2 , 1.61 мкм H2O , 1.31 мкмO2 , 1.27 мкм

Режимы наблюдений

Планируется проводить наблюдения при минимальной облачности. Предварительное наведение выполняется космонавтом путем визирования через иллюминатор, точное наведение выполняется при помощи видоискателя фотоаппарата. Каждый сеанс наблюдений, за исключением режима калибровки, предполагает детектирование линий поглощения CO2, CH4, O2 и H2O.

Режим 1. Калибровка по солнечному излучению через специальный

иллюминатор в спектральном диапазоне 730-1680 нм с высоким разрешением.Режим 2. Длительные надирные наблюдения с использованием

кронштейна (регулярные наблюдения).Режим 3. Наблюдения яркого солнечного блика и земной поверхности. В этом режиме обеспечивается более высокие отношения сигнал/шум и

точность, вследствие более низкого вклада рассеяния на аэрозоле и других искажений. Наведение выполняется вручную космонавтом.Режим 4. Наблюдение больших городов и зеленых зон. Наведение

выполняется вручную космонавтом.

Режим 1. Калибровка по солнечному излучению через специальный иллюминатор в спектральном диапазоне 730-1680

нм с высоким разрешением

Солнечный спектр, записанный в одном из порядков в сравнении с моделями солнечного спектра КиттПикW. Livingston and L. Wallace,

1991 (черная линия) и Kurucz, 1995 (голубая линия). А также синтетическим спектром водяного пара (розовая линия)

O2 CH4 CO2

H2OO2

Режим 2. Длительные надирные наблюдения с использованием кронштейна (регулярные наблюдения).

Режим 3. Наблюдения яркого солнечного блика и земной поверхности. В этом режиме обеспечивается более высокие отношения сигнал/шум и точность, вследствие более низкого вклада рассеяния на аэрозоле и других искажений. Наведение выполняется вручную космонавтом.

Режимы наблюдений

Планируется проводить наблюдения при минимальной облачности. Предварительное наведение выполняется космонавтом путем визирования через иллюминатор, точное наведение выполняется при помощи видоискателя фотоаппарата. Каждый сеанс наблюдений, за исключением режима калибровки, предполагает детектирование линий поглощения CO2, CH4, O2 и H2O.

Режим 1. Калибровка по солнечному излучению через специальный

иллюминатор в спектральном диапазоне 730-1680 нм с высоким разрешением.Режим 2. Длительные надирные наблюдения с использованием

кронштейна (регулярные наблюдения).Режим 3. Наблюдения яркого солнечного блика и земной поверхности. В этом режиме обеспечивается более высокие отношения сигнал/шум и

точность, вследствие более низкого вклада рассеяния на аэрозоле и других искажений. Наведение выполняется вручную космонавтом.Режим 4. Наблюдение больших городов и зеленых зон. Наведение

выполняется вручную космонавтом.

14 августа Кронштейн

19 августа Блик

25 августа Блик

29 августа Блик

5 сентября Солнце

15 сентября Кронштейн

17 сентября Блик

23 сентября Блик

8 октября Солнце

… … …

Таблица проведенных сеансов

CH4

CO2

H2O

Получение и обработка данных

Данные измерения спектрометра

Фотографии области наблюдения

Данные калибровок (с Земли и по Солнцу с борта МКС)

Ориентация МКС

Решение обратной задачи по восстановлениюконцентраций CO2, CH4 и H2O

(корректирование по спектрам O2).

Конечный формат данных для обработки

другими научными группами.

Валидация данных с другими приборами

Предварительная обработка

(выполняется в ИКИ)

Необходимость валидации

WWW.Rusalka-IKI.ru

Перспективы

Развитие метода:

- усовершенствование методов обработки экспериментальных

данных и восстановления концентраций парниковых газов

- наземная проверка данных с этим НА и на основе данных

других экспериментов по измерению CO2 и CH4

- подготовка автономного прибора для микроспутниковой

платформы

- оптимизация оптических и спектральных параметров прибора

для других научных задач и спутниковых платформ.