VIIRS

VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) — это радиометр видимого и инфракрасного диапазона, установленный на спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и НАСА. Прибор предназначен для глобального наблюдения Земли, сбора данных о состоянии атмосферы, океана, суши и криосферы в широком спектральном диапазоне. VIIRS является ключевым инструментом программы Joint Polar Satellite System (JPSS) и преемником радиометра Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) и спектрорадиометра Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).

История создания

Разработка VIIRS началась в конце 1990-х годов как часть программы создания нового поколения полярно-орбитальных спутников США. Основной целью было создание прибора, который объединил бы возможности AVHRR (использовавшегося с 1978 года) и MODIS (запущенного в 1999 году на спутниках Terra и Aqua) при более высоком пространственном разрешении и улучшенных радиометрических характеристиках.

Первый экземпляр VIIRS был установлен на спутнике Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership), запущенном 28 октября 2011 года. Этот спутник стал переходным звеном между программами NASA Earth Observing System (EOS) и NOAA JPSS. Второй и третий приборы были установлены на спутниках NOAA-20 (запущен 18 ноября 2017 года) и NOAA-21 (запущен 10 ноября 2022 года) соответственно. Планируется, что VIIRS будет использоваться как минимум до 2030-х годов.

Устройство и принцип работы

VIIRS представляет собой сканирующий радиометр, который измеряет отражённое и излучаемое электромагнитное излучение Земли в 22 спектральных каналах (диапазонах). Прибор работает в видимом (0,4–0,9 мкм), ближнем инфракрасном (0,9–2,5 мкм), среднем инфракрасном (3,5–4,1 мкм) и тепловом инфракрасном (10,5–12,5 мкм) диапазонах.

Основные компоненты

• Сканирующее зеркало: вращается с постоянной скоростью, обеспечивая обзор полосы шириной 3060 км на поверхности Земли.
• Телескоп: собирает отражённое и излучаемое излучение.
• Спектральные фильтры и детекторы: разделяют излучение на спектральные каналы и преобразуют его в электрические сигналы.
• Система калибровки: включает солнечный калибратор, чёрное тело и лунный калибратор для обеспечения точности измерений.

Спектральные каналы

VIIRS имеет 16 каналов среднего разрешения (M-каналы, 750 м на пиксель в надире), 5 каналов высокого разрешения (I-каналы, 375 м) и один панхроматический канал (DNB, Day/Night Band, 750 м). DNB-канал уникален тем, что позволяет получать изображения ночной стороны Земли при очень низких уровнях освещённости (вплоть до света звёзд).

Классификация данных

Данные VIIRS делятся на несколько уровней обработки:

• Уровень 0 (L0): сырые телеметрические данные.
• Уровень 1 (L1): калиброванные радиометрические данные, включая отражённую яркость (reflectance) и яркостную температуру (brightness temperature).
• Уровень 2 (L2): геофизические продукты, такие как температура поверхности моря, индекс растительности (NDVI), аэрозольная оптическая толщина, облачность.
• Уровень 3 (L3): глобальные композитные изображения за сутки, неделю, месяц.

Применение

VIIRS используется в широком спектре научных и прикладных задач.

Метеорология и климатология

• Наблюдение за облачностью: определение типа облаков, их высоты, водности и фазового состава.
• Температура поверхности моря (SST): точность до 0,2 °C, используется для прогноза погоды и климатических моделей.
• Аэрозоли: мониторинг пылевых бурь, дымов от лесных пожаров, вулканического пепла.
• Озон и другие газы: оценка общего содержания озона в атмосфере.

Океанография

• Цвет океана: концентрация хлорофилла, мутность воды, мониторинг цветения водорослей.
• Морской лёд: определение границ, толщины и концентрации льда.
• Волнение и ветер: оценка параметров морской поверхности.

Мониторинг суши

• Растительность: индекс NDVI, оценка состояния лесов, сельскохозяйственных культур.
• Пожары: обнаружение активных пожаров, оценка их площади и интенсивности.
• Городская среда: мониторинг ночного освещения городов (DNB-канал), тепловых аномалий.

Спасательные и экологические операции

• Обнаружение пожаров: данные VIIRS используются для оперативного предупреждения о лесных и торфяных пожарах, в том числе в России (система ИСДМ-Рослесхоз).
• Мониторинг наводнений: оценка зон затопления по радиолокационным и оптическим данным.
• Наблюдение за вулканами: обнаружение тепловых аномалий и пепловых шлейфов.

Ночная съёмка

DNB-канал VIIRS позволяет получать изображения ночной Земли, что используется для анализа урбанизации, оценки энергопотребления, мониторинга светового загрязнения и обнаружения искусственных источников света (например, корабли в море, пожары).

Сравнение с аналогами

VIIRS превосходит AVHRR по спектральному охвату (22 канала против 5–6) и пространственному разрешению (375 м против 1,1 км). По сравнению с MODIS, VIIRS имеет более высокое разрешение в I-каналах (375 м против 500 м) и уникальный DNB-канал. Однако MODIS имеет более широкий спектральный диапазон (36 каналов) и более длительную историю наблюдений (с 1999 года).

Критика и ограничения

Основные недостатки VIIRS включают:

• Сложность калибровки: особенно в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, где требуется высокая точность.
• Чувствительность к атмосферным помехам: облачность и аэрозоли могут затруднять наблюдение поверхности.
• Ограниченное время жизни: прибор рассчитан на 7 лет работы, но фактически может функционировать дольше (Suomi NPP работает с 2011 года).
• Зависимость от солнечного освещения: большинство каналов (кроме тепловых) требуют дневного света, что ограничивает наблюдения в полярных регионах зимой.

Интересные факты

• DNB-канал VIIRS способен различать свет от одного уличного фонаря на расстоянии до 800 км.
• Данные VIIRS используются для создания «Ночных карт Земли» (Black Marble), которые публикуются NASA.
• В 2020 году VIIRS зафиксировал резкое снижение ночного освещения в крупных городах мира из-за карантинных мер, связанных с пандемией COVID-19.
• Спутники с VIIRS являются частью глобальной системы наблюдения Земли, которая включает также российские аппараты «Метеор-М» и «Электро-Л».

Источники

• National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Joint Polar Satellite System (JPSS) VIIRS Technical Documentation.
• NASA. Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Overview.
• Schueler, C. F., & Barnes, W. L. (1998). Next-generation MODIS for polar-orbiting operational environmental satellites. Proceedings of SPIE.
• Xiong, X., et al. (2014). VIIRS on-orbit calibration and performance. Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
• Рослесхоз. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз).