Научная аппаратура космического эксперимента «Конвергенция» на РС МКС

Космический эксперимент (КЭ) «Конвергенция» (полное название: «Определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы при исследовании генезиса атмосферных катастроф») планируется к реализации на российском сегменте МКС в 2021-2026 гг. Основными задачами КЭ являются: исследование основ зарождения и эволюции крупномасштабных кризисных атмосферных процессов типа тайфунов и тропических циклонов как одних из основных элементов в формировании глобального массо- и влагообмена в системе океан-атмосфера; измерение абсолютных радиояркостных температур системы атмосфера-океан тропиков в диапазоне 6…200 ГГц; определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы; проведение исследований по круглосуточному обнаружению молний, определение их энергетических, пространственных и временных характеристик, точная привязка к мировому времени, картирование зон молниевой деятельности.
Для проведения КЭ «Конвергенция» разрабатывается и устанавливается научная аппаратура, состоящая из: сканирующего микроволнового радиометра-спектрометра (МИРС); оптического детектора молний (ДМ) и гамма-детектора (ГД). В настоящее время проходит этап эскизного проекта разработки научной аппаратуры.
Микроволновой радиометр-спектрометр МИРС предназначен для измерения радиотеплового излучения атмосферы Земли и её поверхности в микроволновом диапазоне и представляет собой многоканальный радиометр панорамного типа обзора со сканированием пространства лучами, вращающимися вокруг направления в надир под постоянным углом 48,7 – 49,8° (коническое сканирование) с периодом 1,3 с. При таком способе обзора поверхности Земли для высоты орбиты МКС (410 км) полоса обзора составляет 830 км. Закладываемые характеристики антенной системы МИРС (диаметр отражателя однозеркальной среднефокусной офсетной параболической антенны - 700 мм) обеспечивают разрешение по поверхности от 10 км (для высокочастотных каналов) до 75 км (для канала 6,8 ГГц).
Детектор молний предназначен для обнаружения молний в эмиссионной линии атомарного кислорода OI(1) в полосе в надир 680×550 км. Гамма-детектор предназначен для синхронной регистрации гамма-всплесков Земного происхождения (TGF), связанных с молниевой активностью.
Основным направлением эксперимента определено получение профилей влажности и температуры в нижней части тропосферы в слое до 10 км, т.е. там, где сосредоточено более 90% водяного пара. Для влажностного зондирования традиционно используется полоса частот с центром 183,31 ГГц. Набор частотных каналов для влажностного зондирования атмосферы, выбранный для КЭ «Конвергенция», схож с набором каналов приборов-аналогов (например, ATMS) и имеет следующие центральные частоты: 166,3; 183,31±7; 183,31±4,5; 183,31±3; 183,31±1,8; 183,31±1; 183,31±0,3 ГГц. Данный набор частотных каналов позволяет проводить влажностное зондирование атмосферы на 7 уровнях от 0 до 12 км. Однако, результаты моделирования показывают, что чувствительность данного набора каналов к влажности атмосферы, особенно в нижних слоях 0 - 4 км, очень низкая. Для решения этой проблемы был предложен новый метод дифференциальных измерений на близких частотах в полосе поглощения водяного пара (с центром 22,235 ГГц). Метод заключается в использовании разности сигналов, измеренных на склоне линии поглощения, вместо традиционных одноканальных измерений. Для этой цели используются частотные каналы в полосе 23,8 – 27 ГГц. Слабое поглощение в полосе 22,235 ГГц приводит к тому, что у «дифференциального» сигнала появляется хорошая чувствительность к изменению влажности в нижних атмосферных слоях 0 – 4 км.
Другой особенностью эксперимента является использование поляриметрических измерений для получения скорости и направления приповерхностного ветра. Измерение трех параметров Стокса собственного электромагнитного излучения морской поверхности (на частотах 10,65 ГГц, 18,7 ГГц и 36,5 ГГц), позволяет определять параметры вектора скорости ветра с точность ±1м/с и ±10º, по модулю и направлению соответственно.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №15-05-08401.