Пример дуги облака, сделанный поздно зимним днем в Санта-Крус, Калифорния. Облако в данном случае представляло собой легкий прибрежный туман, поэтому его также можно было назвать туманной дугой. В этой сцене солнце располагалось низко в небе, прямо за зрителем, так что наблюдался обратный рассеянный свет. Хотя такая геометрия наблюдений с поверхности Земли встречается редко, для PACE/HARP2 она будет обычной. Фото: НАСА/Кирк Кнобельсписс.
Некоторые из тех же свойств света и оптики, которые делают небо голубым и вызывают радугу, также могут помочь ученым раскрыть тайны образования облаков и воздействия мельчайших частиц в нашем воздухе.
Предстоящая миссия НАСА PACE предоставит важную информацию о переносимых по воздуху частицах морской соли, дыма, антропогенных загрязнителях и пыли, называемых аэрозолями, путем наблюдения за тем, как они взаимодействуют со светом. Используя данные PACE, ученые смогут лучше ответить на ключевые вопросы, например, о том, как аэрозоли влияют на формирование облаков или чем отличаются ледяные и жидкие облака. Понимание природы переносимых по воздуху частиц и облаков имеет решающее значение для понимания того, как меняются климат и качество воздуха.
Два прибора в предстоящей миссии НАСА PACE будут изучать аэрозоли и облака — буквы A и C в названии спутника «Планктон, Аэрозоль, Облако, Экосистема океана». После запуска в начале 2024 года миссия PACE будет сканировать Землю и собирать данные о химическом составе, движении и взаимодействии аэрозолей и облаков с помощью двух новейших поляриметров — инструментов, измеряющих свойства света.
Есть характеристики света, которые мы можем видеть глазами, например, цвет. Другие характеристики невидимы для человеческого глаза, например, то, что ученые называют поляризацией.
«Поляризация — это то, чего у нас нет интуитивного чувства, потому что наши глаза ее не видят», — сказал Кирк Кнобельсписс, руководитель поляриметрии миссии PACE в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Если бы вы видели мир глазами, способными видеть поляризацию, как это делают наши датчики, вы бы повсюду видели радугу».
Свет, исходящий от Солнца, движется во всех направлениях, как волна — это называется неполяризованным светом, — сказал Брайан Кэрнс, заместитель научного сотрудника проекта ПАСЕ. Однако когда он взаимодействует с чем-то вроде облака или аэрозольной частицы, свет может колебаться больше в одном направлении, чем в других: теперь это поляризованный свет. Эта особенность поведения света может помочь ученым узнать больше о характеристиках и взаимодействии аэрозолей и капель воды в небе.
Поляриметры измеряют угол, под которым поляризован свет, что позволяет выявить конкретные характеристики того, от чего свет отразился. С помощью этих инструментов ученые могут собрать воедино размер, состав, численность и другие характеристики частиц в атмосфере.
Два поляриметра PACE — HARP2 и SPEXone — составляют отличную пару из-за дополняющих друг друга различий в том, что они измеряют. HARP2, построенный в Университете Мэриленда в округе Балтимор, будет наблюдать четыре длины волн света под 60 различными углами. SPEXone, созданный Нидерландским институтом космических исследований (SRON) и Airbus Нидерланды BV, будет смотреть вниз с более узкой полосы обзора, используя пять углов обзора, но глядя на свет с гиперспектральным разрешением — полным спектром цветов радуги. Вместе поляриметры дадут картину земной атмосферы в беспрецедентных деталях.
Ученые наблюдали аэрозоли из космоса на протяжении десятилетий, хотя уже десять лет у сообщества не было данных поляриметрии, отметил Отто Хазекамп, старший научный сотрудник SRON. PACE предоставит данные поляриметра с разных точек зрения, и благодаря технологическому прогрессу в инструментах качество данных будет лучше, чем когда-либо прежде.
«Приятно видеть кульминацию активной работы над моделями и прототипами приборов, — сказал Йерун Ритдженс, ученый-инструменталист из SRON, — а затем наконец увидеть, как все это оказывается на настоящем спутнике».
После запуска PACE в начале 2024 года спутник будет сканировать Землю каждые два дня, собирая огромные объемы данных о химическом составе, движении и взаимодействии аэрозолей и облаков.
«Мы хотим измерить свойства аэрозолей, потому что аэрозоли влияют на климат», — сказал Хазекамп. Они отражают свет обратно в космос, а также могут поглощать его, что играет роль в том, какая часть солнечной энергии достигает поверхности Земли. Аэрозоли также влияют на формирование и свойства облаков, но детали этих взаимосвязей учёным до конца не известны. Данные, которые собирает ПАСЕ, помогут прояснить некоторые из этих неизвестных.
Новые данные поляриметрии также дадут информацию о загрязнении воздуха в режиме реального времени. «Измерения PACE не только ответят на фундаментальные научные вопросы, но и улучшат качество жизни людей», — сказала Марсела Лория-Салазар, доцент Школы метеорологии Университета Оклахомы и один из первых пользователей PACE. Программа PACE Early Adopters способствует интеграции данных PACE в практическое применение науки.
Лория-Саласар особенно интересуется тем, как аэрозоли меняются со временем и в зависимости от местоположения, уделяя особое внимание высоте аэрозолей над центром Соединенных Штатов. Там PACE позволит ученым идентифицировать аэрозоли, а также расшифровать, что они означают для качества воздуха.
Измерения поляриметров ПАСЕ также помогут улучшить наше понимание климата Земли. Добавляя данные об атмосфере PACE в модели, ученые смогут заменить оценки, которые сейчас используются для заполнения пробелов в данных в этих моделях, данными текущих измерений.
«Я надеюсь помочь собрать данные, которые уменьшат неопределенность модели и помогут нам сделать более точные прогнозы того, как, по нашим ожиданиям, будет развиваться наш климат в ближайшие десятилетия и столетия», — сказал Кнобельсписсе.
