Отдел физики планет и малых тел
Солнечной системы


«РУСАЛКА» (РУчной Спектральный АнаЛизатор Компонентов Атмосферы)

Космический эксперимент для исследования атмосферы Земли с борта Международной космической станции

Статус:

Проведение космического эксперимента РУСАЛКА на борту РС МКС - август 2009 г – апрель 2012 г.

Цель:

Отработка методики определения содержания углекислого газа и метана в атмосфере Земли для понимания роли природных процессов и человеческой деятельности, определяющих атмосферное содержание СО2 и СН4.

Общий вид аппаратуры «РУСАЛКА»:

 


 

Углекислота CO2 как основной парниковый газ играет важнейшую роль в тепловом балансе тропосферы и формировании климата Земли. Его концентрация является основным фактором, определяющим парниковый эффект в тропосфере. Особое беспокойство вызывает необратимое поступление двуокиси углерода в атмосферу при сжигании органического топлива. Таким образом, для оценки роли различных процессов в балансе двуокиси углерода необходимы точные и локализованные спутниковые измерения ее концентрации в атмосфере.

Другой важнейшей задачей является мониторинг содержания CH4. Метан, будучи сам по себе парниковым газом, выделяется в атмосферу не только в результате естественных, в основном биогенных процессов, но и локально — в результате аварий газопроводных сетей. Необходим мониторинг как фонового содержания метана, так и контроль крупных техногенных выбросов.

Одним из основных методов измерений до настоящего времени являлся метод отбора проб с последующим анализом их в лаборатории. Дороговизна и деликатность работ при использовании данного метода не требует комментариев. Для получения данных глобального характера необходимы точные, локализованные, регулярные и долговременные измерения с использованием космических аппаратов.

Наиболее перспективны спектроскопические измерения в ближнем инфракрасном диапазоне с высоким спектральным разрешением, позволяющим различить отдельные ненасыщенные линии в слабых полосах CO2 и CH4. Измеряемые с таким разрешением относительные глубины сильных линий поглощения позволяют с высокой точностью определить концентрацию наблюдаемых газовых компонент.

В Институте космических исследований РАН был подготовлен эксперимент «РУСАЛКА» для отработки методики подобных измерений на Российском сегменте МКС. Он позволил получить результаты о содержании парниковых газов в атмосфере Земли с орбиты и отработать методику измерений, что позволит в дальнейшем использовать аппаратуру подобного типа для проведения глобальных измерений парниковых газов на различных типах спутниковых платформ, включая микроспутники.

 

Постановка задачи:

  • Углекислота CO2 как основной парниковый газ играет важнейшую роль в тепловом балансе тропосферы и формирования климата Земли. Для понимания роли природных процессов и человеческой деятельности, регулирующих атмосферное распределение CO2, необходимы весьма точные и локализированные измерения концентрации CO2.
  • Измерения концентрации CO2, выполняемые с околоземной орбиты, способствуют качественно новому пониманию глобального кругооборота углерода.
  • Измерения метана CH4 в атмосфере позволяют получить данные о его фоновом содержании, важную дополнительную информацию о состоянии ряда экосистем, а также определить существование дополнительных источников выброса метана в атмосферу.

 

Состав комплекта аппаратуры «РУСАЛКА»:

1. Моноблок «РУСАЛКА»:

  • инфракрасный спектрометр высокого спектрального и пространственного разрешения с системой регистрации и управления,
  • механический интерфейс, состоящий из переходной платы с установленными адаптерами аккумулятора и крепления объектива,
  • пульт управления;

2. фотооборудование (фотоаппарат Nikon D2Xs и объектив Nikkor 80-400 мм);
3. кронштейн крепления на иллюминатор;
4. аккумулятор;
5. комплекты затемняющих и УФ-фильтров, кабелей и переходников.

 

Общие параметры аппаратуры «РУСАЛКА»:

Масса

3.3 кг

Электропитание

14.4 В

Потребляемая мощность не более

10 Вт

Поле зрения

3×30 угл. мин. (0.4×4.0 км, с орбиты МКС км в надир)

Длительность измерения

3 мс – 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

20 000

Размеры

235×280×160 мм

 

Методы проведения измерений парниковых газов прибором «РУСАЛКА»:

  • Оптическая ось спектрометра ориентируется в (около-)надирном направлении, регистрируется солнечное излучение, отраженное поверхностью и дважды прошедшее сквозь атмосферу Земли. Преимуществом метода является широкая свобода в выборе координат измерения и относительно высокое пространственное разрешение.

  • Оптическая ось прибора ориентируется на блик Солнца на поверхности воды. Этот метод значительно точнее предыдущего из-за малого влияния рассеяния на аэрозоле, которое количественно контролируется дополнительно по уровню отраженного сигнала.

  • Калибровочные наблюдения прямого солнца.


Длительные надирные наблюдения с использованием кронштейна

 


Наблюдения яркого солнечного блика и земной поверхности

 


Калибровка по солнечному излучению через специальный иллюминатор
(спектральный диапазон 730-1680 нм)

 

Получение и обработка данных:

 

Перспективы:

  • усовершенствование методов обработки экспериментальных данных и восстановления концентраций парниковых газов;

  • наземная проверка данных с этой аппаратурой 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.

 


 

Список публикаций:

О.И. Кораблев, A.Ю. Трохимовский, И.И. Виноградов, А.А. Федорова, А.Ю. Иванов, Ю.К. Калинников, А.Ю. Титов, А.В. Калюжный, A.В. Родин, Е.А. Кострова, А.А. Венкстерн, В.В. Барке, Ю.В. Смирнов, М.А. Полуаршинов, О.З. Ростэ ПРИБОР «РУСАЛКА» ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ С БОРТА МКС, Оптический журнал, том 78, № 5, с. 44-58, 2011.

 

© Отдел физики планет и малых тел Солнечной системы.
При цитировании материалов ссылка на сайт обязательна.