A história das medições das temperaturas troposféricas por satélites

A NASA vem construindo e lançando a série Tiros (Television Infrared Observation Satellite) de satélites meteorológicos, desde 1961. O projeto desses satélites tem evoluído ao longo do tempo. Após o lançamento, frequentemente, eles passam a ser operados por outras agências. Os utilizados para a medição das temperaturas troposféricas são operados pela NOAA (National Oceanographic and Atmospheric Administration), começando com o Tiros N, em outubro de 1978, seguido do NOAA-6, em junho de 1979, até o NOAA-19, em fevereiro de 2009. Esses satélites foram projetados, essencialmente, como satélites meteorológicos; seu uso na Climatologia é uma função secundária. O satélite AQUA, da NASA, lançado em maio de 2002, como um satélite de pesquisa, também é usado na medição de temperaturas, e faz parte do NASA A-Train.

Uma visão geral da espaçonave, seus equipamentos e funções, pode ser encontrada aqui.

O que os satélites fazem

Esses satélites têm Unidades de Sondagem por Micro-ondas (MSU – Microwave Sounding Units) que registram a temperatura de brilho dos sinais de micro-ondas obtidos a partir de quatro frequências irradiadas através de moléculas de oxigênio, separadamente. Essas frequências tendem a se originar em diferentes altitudes na coluna de ar abaixo do satélite e refletem a temperatura naquela altitude. Eu digo 'tendem' porque não é exatamente isso que acontece, mas iremos abordar o tema mais adiante. A utilização de sinais de micro-ondas associados ao oxigênio tem a vantagem de que as micro-ondas não são substancialmente bloqueadas pela atmosfera e o oxigênio está distribuído uniformemente através dela, de modo que a variação na sua concentração é insignificante. Portanto, o sinal de temperatura emitido pelo oxigênio é fácil de detectar, e não será distorcido por mudanças na sua concentração.

À medida que o satélite orbita a Terra, as unidades MSU mapeiam continuamente uma faixa abaixo da espaçonave, do nadir (o termo nadir é utilizado para definir a perpendicular à superfície terrestre a partir do satélite) aos limites laterais do instrumento. Também em cada digitalização, as MSU calibram suas leituras a partir das leituras de outras 2 fontes – do espaço profundo (frio), e de uma fonte de calor, instrumentada, a bordo.

Esses satélites são de órbita polar heliossíncrona. Cada um perfaz cerca de 14 órbitas por dia. Sua trajetória passa pelos pólos, mas o seu plano de órbita se alinha sempre com o Sol. Isto é importante porque garante que um mesmo ponto da superfície da Terra seja medido todos os dias na mesma hora – ao meio-dia e meia-noite Solar. 

Até o NOAA-14, as unidades MSU foram utilizadas. Nos satélites posteriores, incluindo o AQUA, essas unidades foram ajustadas (AMSU – Advanced Micro Sounding Units). As AMSU são mais avançadas e conseguem mapear com mais detalhes e em maior número de frequências, mas a base do seu funcionamento é a mesma. Nesta discussão, vou me referir principalmente às MSU. Os mesmos conceitos se aplicam às AMSU.

Um pouco de ciência

O artigo de Grody 1983 (seção 2) apresenta uma discussão sobre a ciência de Sondagem por Micro-ondas, e em particular da existência de Funções Peso derivadas da Equação de Transferência Radiativa. "... a função peso da temperatura ... define a contribuição da temperatura em diferentes altitudes para a temperatura de brilho". Essas funções são produzidas somando-se a contribuição das emissões de micro-ondas, em cada frequência, a partir de diferentes níveis da atmosfera, levando em consideração o comportamento de irradiação da atmosfera, a pressão, a temperatura, o comprimento etc.

Grody 1983 seção 2

Aqui, tal como acontece com as medições atmosféricas, as altitudes são dadas em pressão e não em quilômetros. As linhas pontilhadas representam as funções peso obtidas a partir das laterais do equipamento, enquanto as linhas sólidas representam a visão a partir do nadir. O fato de que as funções peso nas diferentes frequências tenham perfis tão diferentes é o que nos permite medir as temperaturas em diferentes altitudes. Cada frequência obtém a maior parte do seu sinal a partir de uma faixa de altitude. No entanto, esse comportamento cria uma das principais complicações do processo de medição. Voltarei a isso mais tarde...

O sinal recebido pelas MSU na sua frequência alvo é formado por três componentes: os sinais irradiados pela atmosfera para (cima) o satélite, os sinais da atmosfera irradiados para baixo e refletidos na superfície da Terra e os sinais emitidos pela própria Terra.

As 4 frequências utilizadas são denominadas MSU Canal 1 (50,30 GHz), 2 (53,74 GHz), 3 (54,96 GHz), e 4 (57,95 GHz). Como o pico da função peso para o Canal 1 é muito próximo da superfície, esta tem uma influência relativamente elevada sobre o canal, o que não é muito útil para medir as temperaturas troposféricas por causa da 'contaminação' da superfície. Para os outros canais, o componente superfície é muito menor mas ainda precisa ser levado em consideração. E isso difere nas áreas marinhas ou terrestres.

Um pouco de nomenclatura

Uma variedade de termos serão usados na discussão a seguir, por isso estou resumindo seus significados na tabela abaixo:

Quem analisa os dados

Os dados dos vários instrumentos a bordo dos satélites NOAA são distribuídos para uma vasta gama de organizações, para vários fins. Para as medições climatológicas das temperaturas, os dois principais grupos que executam regularmente as análises a partir dos dados das MSU, gerando os resultados, situam-se na Universidade do Alabama, Huntsville (UAH) e no Remote Sensing Systems da California (RSS). Outros grupos de pesquisas também têm analisado os dados, mas com o objetivo de investigar a metodologia, não para produzir séries regulares de temperaturas. Para produzir séries de temperatura de longo prazo a partir dos dados de satélites, esses grupos precisam abordar uma série de questões.

Problemas com satélites:

O NOAA-B, de 1980, não conseguiu atingir a órbita. O NOAA-13 teve uma falha de energia catastrófica duas semanas após o lançamento. O NOAA-9 teve um período relativamente curto (3 meses) de sobreposição com o satélite seguinte, NOAA-10. A calibração do NOAA-16 foi questionada.

Sobreposições entre satélites

Cada satélite tem calibrações, órbitas etc, ligeiramente diferentes. Para obter séries de temperatura de longo prazo, você precisa juntar os dados de vários satélites, lançados e desativados em tempos diferentes. Você também precisa de sobreposição suficiente durante o tempo de vida de cada satélite para comparar seus resultados e estabelecer uma linha de base em comum. Como alguns satélites têm durado bastante tempo, a degradação do equipamento e os desvios na calibração são fatores importantes. Então, a questão é se devemos usar os dados de um novo satélite com seus problemas de sobreposição ou continuar usando um satélite mais antigo com seus problemas de envelhecimento. Alguns comentaristas tem sugerido que a maior parte da discrepância entre os resultados da UAH e do RSS, que pode chegar a 65%, se deve aos diferentes métodos usados por essas instituições para lidar com a sobreposição muito limitada dos satélites NOAA-9 e NOAA-10. O gráfico a seguir mostra a diferença entre as séries de temperatura geradas pela UAH e pelo RSS para o canal T2. A divergência é evidente por volta de 1987, quando o NOAA-9 e o NOAA-10 tiveram um período limitado de sobreposição. A linha superior de cada gráfico representa a diferença entre as duas séries. Os gráficos vão somente até 2004.

Mudando das MSU para as AMSU:

Uma vez que as AMSU tem um número diferente de canais, com frequências ligeiramente diferentes, isso torna o agrupamento de seus dados mais complexo em comparação às MSU.

Decaimento orbital:

Os satélites NOAA não tem sistemas de propulsão para corrigir as alterações nas suas órbitas causadas pela fricção com o topo superior da atmosfera. Por isso, sua altitude cai lentamente ao longo do tempo. Isso tem um efeito sobre as leituras; da mesma forma, uma alteração no ângulo de leitura altera a função peso. Isso deve ser compensado. O decaimento orbital nem sempre acontece. Mudanças na atividade solar fazem com que a atmosfera da Terra inche e contraia, alterando as taxas de decaimento. Contudo, o satélite AQUA possui propulsão e, portanto, não sofre tanto com esses problemas.

Efeito corporal do instrumento:

Este é o problema que os satélites vivenciam com a variação no aquecimento e resfriamento, ao longo de sua órbita. Apenas uma temperatura pode ser fixada como o ponto mais quente, mas na verdade os satélites tem experimentado algumas mudanças ao longo de sua vida. Também, o corpo das MSU aquece e esfria e isso pode afetar suas leituras. Algumas podem ser ajustadas após o lançamento através de análises comparativas entre satélites. Essas variações também tendem à média durante períodos prolongados. Mas, nem todos os erros podem ser removidos.

Deriva diurna:

Anteriormente, mencionei que os satélites estão em uma órbita heliossíncrona, o que significa que estão alinhados com o Sol, de modo que eles sempre cruzam o equador ao mesmo tempo – o Tempo Local de Cruzamento no Equador (Local Equator Crossing Time – LECT). Se isso não ocorrer, então os ciclos de temperaturas diárias normais diminuirão (ciclo diurno), adicionando uma falsa tendência aos dados. Para permanecerem sincronizadas com o Sol, as órbitas dos satélites têm uma alta precessão, de pouco menos de um grau por dia. No entanto, essa precessão não é tão acurada e pequenos desvios podem introduzir uma 'deriva diurna' para cada satélite, alterando lentamente seu LECT. Desvios de até 0,5 horas/ano tem sido observados. Por isso, uma correção da deriva diurna para cada satélite se faz necessária. Os dois grupos – UAH & RSS – têm usado diferentes métodos para conseguir isso.

A UAH usa os dados dos ângulos de visão esquerdo & direito do nadir, em tempos específicos na órbita, para olhar a terra em diferentes momentos. Esses dados permitem fazer cálculos que podem remover o efeito da deriva diurna. A abordagem é simples, mas os cálculos podem ampliar os efeitos de outras incertezas.

O RSS usa um modelo climático de alta resolução para simular as variações diárias esperadas e para remover a deriva diurna. Essa simulação é validada de acordo com a variação real diária de temperaturas observadas pelo satélite. Esse método usa uma simulação, mas sofre muito menos com as interferências de amostragem se comparado ao método da UAH.

E, como mostra o gráfico a seguir, o resultado final é que o método da UAH acrescenta uma tendência de resfriamento ao longo do tempo, enquanto o do RSS acrescenta uma tendência de aquecimento aos dados brutos de temperatura.

Figura 2: Correções da Deriva Diurna pela UAH e RSS. As correções da UAH acrescentam, em geral, um efeito de resfriamento. As correções do RSS acrescentam, em geral, um efeito de aquecimento. Ambos grupos apresentam as correções mais fortes nos trópicos, porém em direções opostas.

Gelo marinho & Corpos de degelo de verão

Um fator complicador nas regiões polares são as emissões superficiais do gelo. Elas maquiam as emissões superficiais normais que têm de ser levadas em conta no cálculo das temperaturas, mas por conta das grandes variações sazonais no tamanho do gelo marinho, não há um fator único que possa ser usado para essas regiões. Da mesma forma, o aparecimento dos corpos de degelo no verão confunde o cenário, visto que eles emitem como água, não como gelo. Por essa razão, as temperaturas obtidas, no caso dos polos, não são suficientes.

Tendência estratosférica: por que o T2 não é o que parece.

Já mencionei duas vezes a importância da forma como o sinal de micro-ondas é gerado em diferentes altitudes. Volte e veja a primeira figura, sobre as funções de peso. A linha horizontal em 200 mbar marca a altura aproximada do início da estratosfera (na verdade, ela varia entre 7 km, perto do polo, a 17 km no equador). Observe quanto de cada curva está acima desta linha. Lembre-se que um dos principais efeitos da AGW é um resfriamento da estratosfera. Assim, o arrefecimento estratosférico acrescenta uma tendência de resfriamento aos sinais de micro-ondas. O sinal que o satélite mede subestima a temperatura da troposfera. Este problema é maior com os canais T2 e T3. Cerca de 15% do sinal do T2 se origina na estratosfera e, uma vez que a estratosfera tenha se resfriado muito mais do que a troposfera tenha se aquecido, o efeito sobre a leitura será maior do que 15%. O sinal do T3 é dividido entre as duas camadas em quase 50/50. O T4, por outro lado, recebe a maior parte do sinal da estratosfera, e muito pouco da troposfera. Como resultado, o T2 e o T3 subestimam significativamente o aquecimento que ocorreu em suas bandas nominais de altitude. Sem uma forma de correção, esses canais são praticamente inúteis.

T2 vs. TLT

Os problemas com a tendência de resfriamento estratosférico foram reconhecidos há muito tempo, e em 1992 Spencer & Christy, da UAH, apresentaram uma nova solução para remover essa tendência e focar mais na baixa troposfera. Essa solução removeu a maior parte da tendência, através de leituras combinadas matematicamente, feitas a partir de múltiplos ângulos de visão de uma mesma varredura, de forma a produzir uma leitura mais ponderada para a baixa troposfera. Chamada originalmente de MSU2LT, passou a ser chamada de MSUTLT após a adição das leituras das AMSU. Esse método produz os coeficientes esperados para a baixa troposfera, mas é vulnerável a um aumento considerável de erros de amostragem – essencialmente, tomar a diferença entre duas amostras irá aumentar os erros de amostragem. Da mesma forma, olhando para uma faixa Leste/Oeste, as medições serão sensíveis às variações de temperatura através dessa faixa. Elas também serão mais sensíveis às emissões diretas da superfície, visto que elas aumentarão o sinal de nível inferior.

Contudo, essa abordagem representou um avanço significativo na leitura das temperaturas da baixa troposfera. Em 2005, o RSS apresentou um produto TLT que usava a mesma abordagem de varredura nadir/margem, e neste trabalho eles introduziram a compensação de deriva diurna descrita acima.

Fu et al. 2004, 2005

Em 2004/2005, Qiang Fu, Celeste Johanson et al. publicaram um método alternativo para remover a tendência estratosférica do sinal do canal T2. Como o canal T4 é predominantemente estratosférico na sua origem, eles removeram uma proporção do sinal do T4 do sinal do T2, removendo assim a tendência estratosférica. Para determinar qual proporção remover, eles usaram dados de radiossondas a fim de estabelecer um perfil vertical de temperatura para a atmosfera. Dessa forma, eles determinaram, através do método dos mínimos quadrados, o peso apropriado a ser dado aos canais T2 e T4. Eles executaram o novo método em nível global, hemisférico e para as zonas tropicais, a partir dos dados da UAH e do RSS, para calcular uma série de temperaturas para cada nível entre 850 e 300 hPa, produzindo os seguintes valores de  tendências:   

Note que esses valores foram produzidos em 2004, antes do RSS ter adicionado a compensação da deriva diurna. A figura a seguir mostra a função peso modificada a partir do trabalho de Fu et al.: 

A função peso gerada a partir do trabalho desses autores tem um coeficiente mais amplo sobre toda a troposfera do que os produzidos pelo TLT, portanto, é mais provável que seja mais representativo. A agência NOAA mantém um registro comparativo das temperaturas geradas pela UAH, RSS e os ajustes de Fu et al., quel pode ser visto aqui.

Contudo, a técnica de Fu et al. tem limitações. Ela depende de uma fonte independente para o perfil vertical de temperatura usado – o registro de radiossonda. Esse tipo de registro tem uma cobertura geográfica limitada e problemas relacionados à qualidade dos dados. Seu perfil também pode se alterar ao longo do tempo. E, visto que a técnica usa perfis médios ao longo de grande regiões, ela não é útil para estimar tendências regionais, a não ser apenas por aproximação. Contudo, ela permite a validação dos resultados abrangentes obtidos a partir do canal TLT.

Em um trabalho posterior, Fu et al. usaram uma técnica similar à usada no estudo de 2004, mas ao contrário de usar dados de radiossonda, eles fizeram uma correlação direta entre T2 e T4 para produzir um resultado médio para a troposfera T_TT e entre T2 e T3, o canal usado com menos frequência, para produzir uma série para a troposfera inferior T_TLT, removendo a tendência estratosférica dos dois e mostrando resultados para os trópicos. As tendências resultantes são: 

Os dados cobriram apenas o período de 1987 a 2003, visto que os sinais do canal T3 não eram considerados confiáveis antes de 1987. Nesse trabalho, os autores criticam os dados da UAH, sugerindo que seus resultados são não-físicos. Contudo, eles não incluíram as correções mais recentes feitas pela UAH, visto que os dados utilizados vão somente até 2003.

Vinnikov & Grody

Em 2005, Vinnikov & Grody et al. publicaram outra análise da tendência dos dados das MSU. Com base no seu trabalho anterior, os autores usaram um método estatístico inteiramente diferente, baseado em frequências, para determinar as tendências inerentes para as medições das MSU. Eles também consideraram outras questões relativas a erros de calibração. Em vez de assumir que existe um erro de calibração linear associado à calibração de alvos quentes, eles aceitaram a variação dessa calibração ao longo da órbita do satélite devido a fatores externos. Eles mostraram que podiam calcular esse efeito apenas com base na variação latitude/longitude das leituras, sem necessidade de levar em consideração a dependência temporal.

No trabalho anterior, os autores tinham quantificado uma tendência de 0,22 a 0,26 °C/década. No atual eles estimaram 0,20 °C/década. Os gráficos abaixo mostram a superfície medida, e a tendência TMT calculada vs. a latitude, e os mesmos valores calculados através dos modelos climáticos. As principais discrepâncias estão nos polos, com as temperaturas modeladas para a superfície norte sendo muito mais altas do que as temperaturas medidas, mas com os valores medidos e modelados para a troposfera norte sendo bem similares. As temperaturas de superfície obtidas não cobrem a região polar norte ou extrapolam as medições das latitudes inferiores. Os valores para o polo Sul também divergem, mas isso é comumente atribuído aos efeitos do buraco na camada de ozônio, que ainda não foi incluído nos modelos climáticos. Há um consenso significativo nas latitudes médias e tropicais.

Zou et al.

Em 2010 Zou et al. publicaram um novo método analítico para produzir dados de nível inferior para as MSU do T2. Trata-se de um método para remoção dos problemas de correlação inter-satélite e de calibração. O método usa as Passagens Sincronizadas no Nadir (Synchronous Nadir Overpasses) – momento no qual dois satélites observam o mesmo ponto abaixo. Isso acontece mais comumente nas altas altitudes. Usando isso, eles podem avaliar a maior parte dos problemas de calibração inter-satélite a bordo, visto que os satélites estão recebendo o mesmo sinal vindo de baixo. As principais questões que essa análise não aborda são a Deriva Diurna e a tendência Estratosférica de resfriamento. Na verdade eles não estão tentando fazer isso, mas sim produzir um conjunto de dados de nível inferior que possa ser aplicado por outros em trabalhos futuros. Os resultados dessas análises são apresentados abaixo e os dados podem ser obtidos aqui.

Séries e tendências de anomalias mensais para a média global TMT, TUT e TLS, onde TMT, TUT e TLS representam as temperaturas das camadas mais profundas na média troposfera, troposfera superior, e estratosfera inferior.

Afinal, quem tem razão?

Então, qual método de análise está correto? Ao longo da história das medições das temperaturas troposféricas, as análises da UAH têm sempre sido inferiores às do RSS. Contudo, à medida que o tempo passa elas têm se aproximado. Atualmente, as tendências TLT são de 0,147 °C/década para o RSS e de 0,138 °C/década para a UAH, valores inferiores aos encontrados anteriormente devido ao abrandamento do aquecimento dos últimos anos. A convergência nos resultados pode dever-se à diminuição do impacto causado pelos problemas de sobreposição entre o NOAA-9/NOAA-10. Em comparação, o método de Fu et al., aplicado ao TMT RSS e TMT UAH, gerou os seguintes resultados: RSS/FU 0,153 °C/década, UAH/FU 0,112 °C/década. O método de Vinnikov & Grody tem dado cerca de 0,20 °C/década, e o de Zou et al., 0,137 °C/década; ambos sem ajuste da tendência estratosférica.

Qual técnica é mais correta: UAH ou RSS? Ambas têm fragilidades – a UAH usa comparações entre diferentes ângulos de visão, a partir de uma varredura, em duas partes diferentes de sua análise, aumentando a sensibilidade a erros. O RSS usa um modelo climático de curto prazo ao invés de apenas dados. Os comentaristas preferem, aparentemente, a análise do RSS. Nenhum deles aplica a análise dependente lat/long de calibração de fontes quentes usada por V&G, que poderia aumentar um pouco suas tendências. E aplicar a técnica de Fu et al. à de V&G ou de Zou poderia dar resultados ainda mais divergentes.

Talvez o que possa ser dito é que a abordagem UAH/RSS, provavelmente, transponha os resultados que esses métodos, independentemente, encontrariam. Outros métodos sugerem valores mais altos. Sendo assim, uma estimativa razoável neste momento é que o aquecimento ficaria em algum ponto entre a estimativa média UAH/RSS e os valores que seriam obtidos pelos métodos de V&G e Zou se a tendência estratosférica for removida. Isso indica uma tendência de longo prazo de cerca de 0,15 a 0,18 °C/década para a troposfera inferior, mais alinhada com as tendências da superfície. E similar ou superior para a troposfera média, com base no fato de que Fu et al. estão olhando para a troposfera como um todo e V&G estão mostrando um aquecimento maior da troposfera do que da superfície, através das latitudes médias e tropicais.

Portanto, essas diferentes análises claramente mostram que a troposfera ESTÁ aquecendo, como determinado a partir de múltiplas fontes. E se alguém citar as temperaturas de satélites para argumentar com você, certifique-se de perguntar a que série de dados a pessoa está se referindo. Se ela simplesmente dizer 'os dados de satélite da UAH', ela pode não saber o que está dizendo.

Leituras complementares:

O que o IPCC tem a dizer sobre os registros de satélites (seção 3.4.1.2).

E Scott Church mostrou ainda mais do que isso até 2005.

Adendo

Este post também tem relevância com relação ao argumento 'Não existe hot spot troposférico'. Veja alguns dos gráficos acima. Fu et al., em 2004 e 2005, mostraram um aquecimento maior na troposfera do que na superfície dos trópicos e do hemisfério Sul através do ajuste dos dados do RSS. E Vinnikov & Grody também mostraram um aquecimento maior na troposfera em comparação aos registros de superfície, e também de acordo com os modelos para os trópicos e para o hemisfério Sul. No entanto, as análises feitas pela UAH, RSS e Zou não são capazes de mostrar com confiança o que tem acontecido na troposfera média e superior.