ได้มีการสร้างแบบจำลองจำลองของเครื่องสเปกโตรอินเตอร์เฟอโรเมตรีมีเทนโดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม GHGSat-D

พื้นหลัง

เอทาลอน FP ประกอบด้วยแผ่นแสงสองแผ่นที่วางห่างกัน d และมีค่าการสะท้อนแสงที่พื้นผิวด้านใน R การส่งผ่านแสงที่มุมตกกระทบ θ และความยาวคลื่น λ ถูกกำหนดโดย...ฟังก์ชันอากาศอธิบาย:

โดยที่ n คือดัชนีหักเหของตัวกลางระหว่างโพรง และ F คือสัมประสิทธิ์ความละเอียดที่เกี่ยวข้องกับการสะท้อนแสง GHGSat-D ใช้การออกแบบโพรงที่มีความยาวคงที่ โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของมุมตกกระทบเพื่อปรับสเปกตรัม สำหรับการรบกวนลำดับที่ m ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับจุดสูงสุดของการส่งผ่านจะตรงตามเงื่อนไขค่าสูงสุดของการรบกวน:

แบบจำลองการจำลองเชิงตัวเลขที่สร้างขึ้นในบทความนี้ครอบคลุมการไหลของสัญญาณทั้งหมดของการสังเกตการณ์ดาวเทียม โดยจำลองกระบวนการส่งสัญญาณทั้งหมดตั้งแต่รังสีจากดวงอาทิตย์ตกกระทบจนถึงเอาต์พุตของตัวตรวจจับ แบบจำลองโดยรวมประกอบด้วย...การถ่ายเทรังสีในบรรยากาศระบบประกอบด้วยโมดูลหลักสามโมดูลที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม ได้แก่ ระบบออปติคอลของอินเตอร์เฟอโรเมตร การตอบสนองของตัวตรวจจับ และอื่นๆ โครงสร้างแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1.แผนภาพสถาปัตยกรรมแบบเชื่อมโยงเต็มรูปแบบของแบบจำลองการจำลอง

โมดูลนี้คำนวณค่าความสว่างสเปกตรัมสูงสุดของชั้นบรรยากาศที่ตกกระทบรูรับแสงของดาวเทียมหลังจากมีการดูดซับและการลดทอนจากชั้นบรรยากาศ แบบจำลองนี้ถือว่าพื้นผิวโลกเป็นตัวสะท้อนแสงแบบแลมเบอร์เชียน และคำนวณค่าอ้างอิงการแผ่รังสีสำหรับการสะท้อนจากพื้นผิวโดยการรวมมุมสูงสุดของดวงอาทิตย์ (θsza) ระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ (RE-S) และค่าการสะท้อนแสงสเปกตรัมของพื้นผิว (a) สำหรับสถานการณ์การสังเกตมีเทนในย่านอินฟราเรดคลื่นสั้นทั่วไป แบบจำลองจะละเลยผลกระทบของการกระเจิงของชั้นบรรยากาศและการแผ่รังสีความร้อนจากพื้นผิวเพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณ สูตรการคำนวณมีดังนี้:

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของชั้นบรรยากาศได้มาจากฐานข้อมูลสเปกตรัม HITRAN และนำมาบูรณาการทีละชั้นโดยใช้แบบจำลองบรรยากาศแบบแบ่งชั้น ส่วนข้อมูลอุณหภูมิ ความชื้น และความดันของชั้นบรรยากาศนั้นได้มาจากการใช้แบบจำลองบรรยากาศมาตรฐาน ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะได้ค่าความสว่างสเปกตรัมสูงสุดของชั้นบรรยากาศสำหรับย่านความถี่เป้าหมาย

โมดูลนี้จำลองการแพร่กระจายและการปรับเปลี่ยนของแสงผ่านระบบออปติคอล โดยแปลงค่าความสว่างสูงสุดของชั้นบรรยากาศไปเป็นระนาบภาพของตัวตรวจจับ ระบบออปติคอลทั้งหมดประกอบด้วยกลุ่มเลนส์เทเลโฟโต้และเลนส์สร้างภาพ ดังแสดงในรูปที่ 2 ในทำนองเดียวกัน บนระนาบของตัวตรวจจับ พิกเซลพิกัด (i,j) และมุมเชิงขั้วและมุมอะซิมุธของมุมตกกระทบจะสอดคล้องกับความสัมพันธ์การแมปต่อไปนี้:

โดยที่ (i₀, j₀) คือพิกเซลตรงกลางของแกนแสง ψ คือมุมเชิงขั้วของมุมตกกระทบ และ φ คือมุมอะซิมุธ ในภาพสองมิติเฟรมเดียว สัญญาณจะแสดงการเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอตามรัศมีนอกแกน: จุดศูนย์กลางของภาพสอดคล้องกับความยาวคลื่นการส่งผ่านที่ยาวที่สุด FP และจุดสูงสุดของการส่งผ่านจะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่สั้นลงอย่างต่อเนื่องเมื่อรัศมีเพิ่มขึ้น ที่ขอบของภาพ จุดสูงสุดของการส่งผ่านความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดจะเลื่อนออกนอกช่วงแบนด์พาส ส่งผลให้เกิดการทับซ้อนทางสเปกตรัมระหว่างลำดับการรบกวนที่อยู่ติดกัน

รูปที่ 2.แผนภาพแสดงโครงสร้างระบบออปติคอลของ GHGSat-D

(ที่มาของภาพ: เครื่องสเปกโทรเมตรภาพ GHGSat-D)

(i) OSF, (ii) อินเตอร์เฟอโรเมตร Fabry-Perot และ (iii) ตัวตรวจจับ

โมดูลนี้สามารถส่งออกรูปแบบการแทรกสอดสองมิติของระนาบตรวจจับได้โดยตรง ซึ่งก็คือรูปร่างสัญญาณดั้งเดิมของการสังเกตเฟรมเดียว

ในทางเรขาคณิต รูปแบบการแทรกสอดจะกระจายตัวเป็นวงแหวนศูนย์กลางที่อยู่บนแกนแสง: รังสีแสงบนรัศมีเดียวกันจะมีมุมตกกระทบเดียวกันและสอดคล้องกับความยาวคลื่นสูงสุดของการส่งผ่านเดียวกัน ในแง่ของการกระจายความเข้ม วงแหวนการแทรกสอดเกิดจากปรากฏการณ์การแทรกสอดแบบ FP ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือยอดการส่งผ่านที่แคบและความคมชัดสูง ในขณะเดียวกัน เนื่องจากการปรับเปลี่ยนการดูดซับของมีเทนในชั้นบรรยากาศ ความสว่างของวงแหวนในตำแหน่งที่สอดคล้องกับเส้นการดูดซับที่รุนแรงจะลดลงอย่างมาก ความผันผวนของความสว่างของวงแหวนนั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นการฉายภาพสเปกตรัมการดูดซับของชั้นบรรยากาศลงในมิติเชิงพื้นที่

โดยสรุป บทความนี้ใช้ข้อมูลบรรทุกของดาวเทียม GHGSat-D เป็นแบบจำลองเพื่อสร้างกรอบการจำลองแบบครบวงจรสำหรับการวัดสเปกตรัมแบบ FP ของมีเทน กรอบการจำลองนี้สามารถให้การสนับสนุนเชิงตัวเลขที่เชื่อถือได้สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพตัวบ่งชี้ข้อมูลบรรทุกสเปกตรัมแบบ FP และการพัฒนาอัลกอริธึมการถอดรหัสอินเตอร์เฟอโรแกรมในภายหลัง

[1] Jervis D และคณะ สเปกโตรมิเตอร์ภาพ GHGSat-D *Atmos. Meas. Tech.*, 2021

[2] Sloan JJ และคณะ การตรวจจับก๊าซติดตามในชั้นบรรยากาศด้วยดาวเทียมโดยใช้อินเตอร์เฟอโรเมตร Fabry–Perot สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 9,228,897, 2016

[3] Rodgers C D. *วิธีการผกผันสำหรับการตรวจวัดบรรยากาศ* World Scientific, 2000

[4] Varon DJ และคณะ การหาปริมาณแหล่งกำเนิดมีเทนจากข้อมูลการสังเกตการณ์ดาวเทียมระดับละเอียด *Atmos. Meas. Tech.*, 2018

[5] Jacob DJ และคณะ การสังเกตการณ์มีเทนในชั้นบรรยากาศจากดาวเทียม *Atmos. Chem. Phys.*, 2016