Proba-3 to przełomowa misja, która opiera się na współpracy dwóch statków kosmicznych, aby odkryć tajemnice Słońca.
Podczas gdy sonda Coronagraph rejestruje słabą poświatę zewnętrznej atmosfery Słońca, sonda Occulter działa jak tarcza, blokując intensywne światło dysku słonecznego. Ale Okultysta nie tylko pomaga; staje się samodzielną platformą naukową, zawierającą innowacyjny instrument do ciągłego pomiaru całkowitej energii wytwarzanej przez Słońce.
Proba-3 to niezwykła misja, która do powodzenia wymaga współpracy dwóch statków kosmicznych. Sonda Coronagraph ma za zadanie obserwować słabą zewnętrzną atmosferę Słońca, ale aby tego dokonać, jej partner, statek kosmiczny Occulter z dyskiem, musi precyzyjnie blokować intensywne światło Słońca. Taka konfiguracja powoduje, że Okulter jest stale zwrócony w stronę Słońca, co czyni go samo w sobie cenną platformą naukową.
Po stronie Occultera skierowanej w stronę Słońca zainstalowany jest wyspecjalizowany instrument do ciągłego pomiaru całkowitej energii wytwarzanej przez Słońce, znanej jako całkowite natężenie promieniowania słonecznego. Pomiar ten jest kluczowym czynnikiem dla zrozumienia klimatu Ziemi, ponieważ reprezentuje dominujący wkład energii do naszej planety.
Instrument misji do tego zadania, radiometr Davos Absolute Radiometer (DARA) wielkości pudełka po butach, został opracowany i dostarczony przez Fizyczne Obserwatorium Meteorologiczne w Davos (PMOD) w Szwajcarii.
„Naukowcy zwykli mówić o „stałej słonecznej”, ale w rzeczywistości zawsze się ona nieznacznie zmienia” – wyjaśnia Wolfgang Finsterle, główny badacz DARA w PMOD. „Niezbędne jest także śledzenie całkowitego natężenia promieniowania słonecznego, ponieważ stanowi ono dominujący wkład energii docierający do powierzchni Ziemi. Stanowi to około 99,978% energii dostępnej na Ziemi, łącznie z zachowaną energią słoneczną zmagazynowaną w węglu i ropie. Napędza wszystkie dynamiczne procesy zachodzące w klimacie Ziemi, więc nawet najmniejsze zmiany mają ogromne znaczenie”.
Górski PMOD bada całkowite natężenie promieniowania słonecznego od ponad stulecia, początkowo za pomocą instrumentów naziemnych, a następnie, od lat 70. XX wieku, stosując radiometry kosmiczne w celu uzyskania ciągłego zbioru danych. The Światowa Organizacja Meteorologiczna zlecił PMOD jako Światowemu Centrum Promieniowania kalibrację pomiarów promieniowania w ramach globalnych programów monitorowania ONZ.
Wolfgang dodaje: „Całkowite natężenie napromienienia słonecznego zmienia się wraz z 11-letnim cyklem aktywności słonecznej, a jednym z najbardziej oczywistych sposobów poszukiwania długoterminowego dryfu energii jest porównanie całkowitego natężenia napromienienia słonecznego pomiędzy kolejnymi minimami słonecznymi.
„Wymaga to długich serii danych, najlepiej pochodzących z wielu instrumentów, ponieważ czułość pojedynczych radiometrów ulega pogorszeniu pod wpływem twardego ultrafioletu w promieniach słonecznych, na które są stale wystawione. To powiedziawszy, wszelka degradacja jest bardzo stopniowa: radiometr na pokładzie ESA-NASA[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>SOHO solar observatory for instance, which was launched in back 1995, is still working satisfactorily.”
DARA’s basic operating principle is simple. The radiometer possesses a 5-mm diameter cavity made from black-painted silver, possessing low-temperature emissivity. For 15 seconds at a time, sunlight warms the interior of the cavity, then a shutter blade automatically closes at its entrance.
For the next 15 seconds electric heat maintains the cavity’s previous temperature – and the energy needed to maintain this temperature is extrapolated to the unit of total solar irradiance which is watts per metre squared.
This process continues for the entire lifetime of the instrument – the actuated shutter design employed in DARA has been tested for millions of opening and closings in PMOD’s vacuum chamber.
“DARA is an improvement on previous radiometer designs with an optimized cavity design to minimize unwanted stray light and a multi-channel measuring system for self-calibration,” adds Wolfgang. “This generation of instrument also possesses a fully digital control loop, allowing the possibility of experimenting with higher frequency observations.
Two versions of this radiometer design have already flown, notes Werner Schmutz of PMOD, who oversaw its development: “A compact version called CLARA flew on Noway’s NorSat-1 CubeSat in 2017, remaining operational to this day, while a previous DARA is serving aboard the Chinese FY-3E weather satellite, launched in 2021. So we have high confidence in the design, which can operate whenever the Proba-3 Occulter is pointed at the Sun within half a degree of accuracy.”
Główną różnicą między DARA Proba-3 a poprzednimi radiometrami będzie jego bardzo wydłużona orbita, która uniesie go na wysokość 60 000 km nad powierzchnią Ziemi. DARA może automatycznie dostosowywać się do niewielkich zmian w wielkości dysku słonecznego w zależności od jego odległości – które wynikają również z rocznej eliptycznej orbity Ziemi wokół Słońca. Radiometr musi jedynie znać swoje położenie w przestrzeni, a gromadzone przez niego dane kompensują przesunięcie.
