A disposição básica dos instrumentos nos satélites NOAA é ilustrada na figura 2.4.3, para o caso particular da série M.
Figura 2.29: Instrumentos a bordo dos satélites NOAA. Crédito da imagem: NOAA Deste modo, torna-se premente abordar sucintamente as características de alguns dos mais importantes instrumentos, conforme se faz de seguida.
O Advanced Very High Resolution Radiometer - AVHRR
O Radiómetro Avançado de Muito Alta Resolução é o instrumento primário a bordo dos satélites NOAA e ilustra-se na figura 2.30:
Este radiómetro foi desenvolvido pela ITT-A/CD e é basicamente constituído por cinco módulos: de varrimento, electrónica, arrefecimento, óptico e base. Uma visão esquemática do sensor encontra-se representada na figura 2.31:
Figura 2.30: O sensor AVHRR. Crédito da imagem: NASA
Figura 2.31: Esquema básico de constituição do sensor AVHRR. Crédito da imagem: NASA
De um modo geral, pode dizer-se que o AVHRR é um radiómetro de varrimento, que detecta radiação nas faixas do visível e infravermelho do espectro electromagnético, possuindo, para isso, seis canais espectrais em funcionamento simultâneo para a mesma área da superfície da Terra. Cada canal do instrumento possui um campo de visão instantâneo médio de 1,3 milirradianos, pelo que a sua resolução espacial é de 1,1 km no nadir. Um espelho elíptico de varrimento em constante rotação possibilita a realização de varrimentos transversais entre ± 55, 4o a partir do nadir. O varrimento transversal (da direita para a esquerda) é executada por incrementos de IFOV, a uma taxa de 360 linhas por minuto. Os dados analógicos do sensor são digitalizados a bordo do satélite, com uma resolução radiométrica de 10 bits, a uma taxa de 39936 amostras por segundo, por canal. Nesta razão de amostragem, são obtidas 1362 amostras por IFOV, pelo que, a cada linha são obtidas, por canal, um total de 2048 amostras. Por isso, cada faixa de uma imagem obtida tem cerca de 2250 km de largura.
Historicamente, o AVHRR vai já na sua terceira versão, sendo que, relativamente ao seu antecessor, o AVHRR 2, apresenta um maior número de canais e aperfeiçoamentos espectrais e de ganho nos canais do visível, permitindo assim uma melhor detecção de
baixos níveis de luminosidade. Para além disso, apresenta ainda um escudo externo contra o sol e um disco interno, para reduzir os efeitos causados pela luz solar sobre a cavidade óptica do instrumento e os respectivos detectores.
A tabela 2.3 compara as características do AVHRR na versão instalada no satélite NOAA-12 com as do AVHRR/3, instalado nos satélites NOAA-15,16 e 17. Adicional- mente, são referidas algumas aplicações para cada um dos canais.
Canal Comprimento de onda, λ /μm Uso típico NOAA-12 NOAA-15, 16, 17
1 0,58 - 0,68 0,58 - 0,68 Imagens de solo e nuvens (dia) 2 0,725 - 1,00 0,725 - 1,00 Fronteiras terra/água
3 3,55 - 3,93 N/A Imagens de nuvens (noite), T.S.M.
3A N/A 1,58 - 1,64 Detecção de neve e gelo
3B N/A 3,55 - 3,93 Imagens de nuvens (noite), T.S.M. 4 10,30 - 11,30 10,30 - 11,30 Imagens de nuvens (noite), T.S.M.
5 11,50 - 12,50 11,50 - 12,50 T.S.M.
Tabela 2.3: Características do sensor AVHRR nas versões 2 e 3, bem como principais aplicações dos seus canais. T.S.M é o acrónimo de Temperatura da Superfície do Mar. Tecnologicamente, os canais na faixa do visível e infravermelho próximo do AVHRR/3 utilizam detectores do tipo fotodiodo quadrados, de silício, para medir a radiação in- cidente com uma eficácia de 99% dos raios incidentes. Os canais do infravermelho utilizam detectores arrefecidos a 105 K. O detector seleccionado para o canal 3B é um fotodiodo de InSb, ao passo que o canal 3A utiliza um fotodiodo de InGaAs. Os canais 4 e 5 utilizam como elemento semicondutor o HgCdTe.
No que diz respeito à calibração, esta é feita, para os canais no infravermelho, em órbita, graças a um alvo interno a bordo do satélite, projectado para se comportar como um corpo negro.
O High Resolution Infrared Radiation Sounder - HIRS
O HIRS é, basicamente, um sondador que permite obter perfis da atmosfera. Este instrumento possui um canal na região do visível, sete canais no infravermelho de onda curta e doze canais no infravermelho de onda longa. De acordo com o IFOV de cada canal, este instrumento consegue obter a resolução espacial de 20,3 km, nos canais do visível e infravermelho de onda curta e 18,9 km para os canais do infravermelho de onda longa.
O HIRS/3 utiliza dois detectores de infravermelhos arrefecidos a 100 K. O detector de onda longa é de HgCdTe e o de onda curta de InSb. No canal do visível é utilizado um detector de silício que funciona à temperatura ambiente. A calibração dos canais infravermelhos do HIRS é feita através da observação do espaço e de um alvo interno quente, a cada 38 varrimentos da Terra.
Este sondador mede a radiância do alvo na região do infravermelho. Os dados medidos pelo HIRS são em conjunto com os dados adquiridos pelo AMSU, utilizados para calcular os perfis atmosféricos verticais de temperatura, desde a superfície até 40 km de altitude. Para além disso, os dados obtidos pelo HIRS podem ser também
Figura 2.32: O HIRS/3. Crédito da imagem:NOAA
utilizados para a determinação da temperatura da superfície do mar, do nível total de ozono atmosférico, níveis de água precipitável, cobertura e altura das nuvens e a radiância da superfície.
As Advanced Microwave Sounding Units - AMSU
As unidades avançadas de sondagem em microondas são, tal como o nome indica, instrumentos que permitem a obtenção de perfis da atmosfera através de microondas.
Figura 2.33: As AMSU. Crédito da imagem:NOAA
Estes instrumentos resultam da evolução das anteriores MSU (microwave sounding
units), instaladas numa série anterior de satélites NOAA, a ATN (Advanced TIROS- N ), tendo requerido a adição de uma nova unidade de processamento de dados a bordo,
bem como alterações nos formatos de transmissão de alguns tipos de dados.
Assim, o AMSU-A permite a medição da radiância da cena na banda das micro- ondas. Os dados registados por este instrumento são utilizados conjuntamente com os obtidos pelo HIRS para a determinação dos perfis globais de temperatura e humidade atmosférica desde a superfície da Terra até à estratosfera superior, a aproximadamente 48 km. Para além disso, os dados adquiridos pela unidade AMSU-A são utilizados para prover informações de precipitação, cobertura de neve, concentração de gelo e humidade do solo.
Tecnicamente, pode considerar-se que o AMSU-A é um radiómetro de varrimento transversal. O instrumento é fisicamente dividido em dois módulos separados, cada um dos quais funcionando independentemente. O módulo A-1 possui treze canais, ao passo que o módulo A-2 possui dois canais.
O AMSU-A possui um IFOV de 3,3o com uma resolução espacial nominal de 48
km no nadir. O instrumento efectua um varrimento transversal à órbita do satélite de
±48,3o a partir do nadir. Assim, obtém-se um total de trinta campos de visão da Terra
a cada linha varrida. Note-se que cada varrimento é concluído a cada oito segundos. Já o AMSU-B foi projectado para permitir o cálculo de perfis verticais de vapor de água desde a superfície da Terra até uma altitude de cerca de 12 km. O AMSU-B é um radiómetro de varrimento transversal contínuo e fornece medidas da radiância da cena em cinco canais espectrais. O instrumento possui um IFOV de 1,1o no nadir, com uma resolução espacial nominal de 16 km. A antena realiza varrimentos transversais de± 48,95o a partir do nadir, totalizando noventa campos de visão da Terra por cada linha varrida. O instrumento conclui um varrimento a cada 2,66 segundos.
O Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer - SBUV/2
O radiómetro de Radiação Ultravioleta Solar Retrodifundida é um radiómetro es- pectral que funciona na região ultravioleta do espectro electromagnético.
O SBUV é constituído por dois módulos: o módulo sensor, constituído por todo o equipamento óptico e o módulo electrónico. O SBUV/2 é um sensor remoto completa- mente operacional projectado para mapear as concentrações total de ozono, bem como a distribuição vertical deste gás na atmosfera, numa escala global. Assim, o propósito deste instrumento é o de adquirir informação numa base operacional, por forma a que a distribuição de ozono possa ser obtida, na Terra, de forma expedita.
O SBUV/2 possui um monocromador duplo 9 e um radiómetro de cobertura de nuvens por forma a determinar as intensidades espectrais da radiação ultra-violeta (UV). No seu modo principal de funcionamento, o monocromador mede a radiação solar retrodifundida pela atmosfera em doze bandas discretas de comprimento de onda no ultra-violeta próximo (252,0 a 339,8 nm), cada uma das quais com um filtro passa- banda de 1,1 nm.
O algoritmo de detecção total de ozono usa as quatro bandas de comprimento de onda mais elevado (312,5, 317,5, 331,2 e 339,8 nm), ao passo que algoritmo de extracção de perfis utiliza comprimentos de onda mais pequenos. O radiómetro de cobertura de
9Um monocromador é um dispositivo óptico cuja tarefa básica é a de produzir uma única linha espectral a partir de uma fonte de banda larga (i.e., que possua vários comprimentos de onda, como a luz visível
Figura 2.34: O SBUV. Crédito da imagem:NOAA
nuvens opera a 379 nm, fora da banda de absorção do ozono com um filtro passa-banda de 3,0 nm e foi construído para medir a reflectividade da superfície no IFOV.
Tanto o monocromador como o radiómetro de cobertura de nuvens estão instalados no satélite de forma a que ambos avistem o nadir com IFOV’s coincidentes de 11,3 por 11,3 graus.
Adicionalmente, o SBUV/2 pode ainda medir a irradiância solar ou a radiância atmosférica com um varrimento contínuo do ponto de vista espectral de 160 a 400 nm em incrementos de 0,148 nm.
O Space Environment Monitor - SEM/2
O monitor do Ambiente Espacial é um instrumento destinado à aquisição de dados para a determinação da intensidade da radiação terrestre e do fluxo de partículas elec- tricamente carregadas no nível de altitude da órbita do satélite. A partir desses dados, torna-se possível realizar estudos aprofundados sobre fenómenos solares, na tentativa de prever a ocorrência de tempestades magnéticas, que interferem nas comunicações de longo alcance e nas operações em altas altitudes, para além de constituírem uma ameaça aos circuitos electrónicos e painéis solares dos satélites.
O SEM/2 é constituído por duas unidades separadas de sensores e uma unidade comum de processamento de dados. As unidades sensoras são, respectivamente, o detector de energia total (TED) e o detector de protões e electrões de média energia (MEPED). Deste modo, o TED detecta e quantifica a intensidade de energia em bandas seleccionadas sequencialmente, uma vez que as partículas de interesse possuem energias que variam de 0,05 a 20 keV. Já o MEPED detecta a presença de protões, electrões e iões com níveis de energia a partir de 30 keV até 6,9 MeV.
Figura 2.35: O SEM. Crédito da imagem:NOAA O Data Collection System - DCS
O Sistema de Colecta de Dados foi projectado, desenvolvido e fornecido pelo Centro Nacional de Estudos Espaciais francês. É também conhecido como Sistema ARGOS. O DCS permite a medição e a telemetria de diversos parâmetros ambientais, entre os quais a temperatura e a pressão atmosférica, a direcção e a velocidade dos ventos e correntes oceânicas, entre outros.
O sistema consiste em plataformas de colecta de dados in-situ equipadas com sen- sores e transmissores e o instrumento ARGOS a bordo dos satélites de órbita polar NOAA. As informações ambientais globais são colectadas nas estações de Fairbanks (Alaska), Wallops Island (Virginia) e Lannion (França), sendo pré-processadas pela NESDIS. Duas companhias subsidiárias do CNES, a Collecte Localisation Satellites em Toulouse (frança) e a Service Argos em Largo (Maryland) processam a informação, distribuindo-a pelos utilizadores.