Earth Science Reference Handbook [ Missions: Aura ] 101

Earth Science Reference Handbook

[ Missions: Aura ]  103

sphere has maintained a delicate natural balance between ozone 

formation and destruction.

 

In  recent  years,  however,  man–made  chemicals,  such  as 

chlorofluorocarbons (CFCs), have altered the natural balance of 

ozone chemistry. International agreements, such as the Montreal 

Protocol and its amendments, have been enacted to control these 

ozone–destroying chemicals, and recent data show that ozone is 

being depleted at a slower rate than a decade ago. However, it is 

too soon to tell if this trend is a result of the international protocols 

restricting CFC production or whether other factors explain the 

reduction in the rate of ozone loss. 

 

Information returned from Aura’s four instruments helps us 

answer these questions about ozone. The instruments measure the 

total ozone column, ozone profiles, and gases important in ozone 

chemistry.  They  also  measure  important  sources,  radicals,  and 

reservoir gases that play active roles in ozone chemistry. The data 

gathered help to improve our ability to predict ozone changes and 

also help us better understand how transport and chemistry impact 

ozone trends. 

What are the Processes Controlling Air Quality?

Agricultural and industrial activity have grown dramatically along 

with the human population. Consequently, in parts of the world, 

increased emissions of pollutants have significantly degraded air 

quality. Respiratory problems and even premature deaths due to air 

pollution occur in urban and some rural areas of both industrial-

ized and developing countries. Widespread burning for agricultural 

purposes (biomass burning) and forest fires also contribute to poor 

air quality, particularly in the tropics. The list of culprits contribut-

ing to the degradation of air quality includes tropospheric ozone, 

a toxic gas, and other chemicals whose presence, accompanied by 

the right atmospheric conditions, leads to the formation of ozone. 

These so–called ozone precursors include oxides of nitrogen (NO

x

), 

carbon monoxide (CO), methane (CH

4

), and other hydrocarbons. 

Human activities such as biomass burning, inefficient coal com-

bustion, other industrial activities, and vehicular traffic all produce 

ozone precursors.

 

The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) has iden-

tified  six  pollutants:  carbon  monoxide,  nitrogen  dioxide,  sulfur 

dioxide,  ozone,  lead,  and  particulates  (aerosols).  Of  these  six 

pollutants, ozone has proven the most difficult to control. Ozone 

chemistry is complex, making it difficult to quantify the contri-

butions to poor local air quality. Pollutant–emission inventories 

needed for predicting air quality are uncertain by as much as 50%. 

Also uncertain is the amount of ozone that enters the troposphere 

from the stratosphere.

 

For local governments struggling to meet national air–quality 

standards, knowing more about the sources and transport of air pol-

lutants has become an important issue. Most pollution sources are 

local, but satellite observations show that winds can carry pollutants 

great distances, for example from the western and mid–western 

states to the east coast of the United States and sometimes even from 

one continent to another. We have yet to quantify accurately the 

extent of inter–regional and inter–continental pollution transport.

Aura Instruments

HIRDLS 

High Resolution Dynamics Limb 

Sounder

HIRDLS is an advanced 21–channel 

infrared radiometer measuring the  

6–17–µm thermal emission of Earth’s 

limb designed to provide critical infor-

mation on atmospheric chemistry and 

climate. It provides accurate measure-

ments of trace gases, temperature, 

and aerosols in the upper troposphere, 

stratosphere, and mesosphere, with 

daily global coverage at high vertical 

resolution.

MLS

Microwave Limb Sounder

MLS is an advanced microwave 

radiometer that measures microwave 

emission from the Earth’s limb in five 

broad spectral bands. MLS measures 

trace gases at lower altitudes and with 

better precision and accuracy than 

its predecessor on UARS. MLS can 

provide reliable measurements even in 

the presence of cirrus clouds and dense 

volcanic aerosols.

OMI

Ozone Monitoring Instrument

OMI is a nadir–viewing wide–field imag-

ing spectroradiometer that serves as 

Aura’s primary instrument for tracking 

global ozone change and continues 

the high quality column–ozone record 

begun in 1970 by the Nimbus–4 BUV. 

OMI measures backscattered ultravio-

let and visible radiation and provides 

daily global coverage of most of Earth’s 

atmosphere. Data returned permit mod-

eling of air pollution on urban–to–su-

per–regional scales.

TES

Tropospheric Emission Spectrometer 

TES is a high–spectral–resolution infra-

red–imaging Fourier–transform spec-

trometer that generates three–dimen-

sional profiles on a global scale of most 

infrared–active species from Earth’s 

surface to the lower stratosphere.

---

Earth Science Reference Handbook

104  [ Missions: Aura ]

 

The Aura instruments are designed to study tropo-

spheric  chemistry. Together  these  instruments  provide 

global monitoring of air pollution on a daily basis and 

measure five out of the six criteria pollutants identified 

by the Environmental Protection Agency. Aura provides 

data of suitable accuracy to improve industrial emission 

inventories and also helps distinguish between industrial 

and natural sources. Information provided by Aura may 

lead to improvements in the accuracy of air–quality fore-

cast models.

How is Earth’s Climate Changing?

Carbon  dioxide  and  other  gases  trap  infrared  radiation 

that would otherwise escape to space. This phenomenon, 

called the greenhouse effect, contributes to making the 

Earth habitable. Increased atmospheric emissions of trace 

gases that trap infrared radiation from industrial and agri-

cultural activities are causing climate change. Quantities 

of many of these gases in the atmosphere have increased 

and this has added to the greenhouse effect. During the 

20

th

  century,  the  global  mean  lower  tropospheric  tem-

perature increased by more than 0.4° C. This increase is 

thought to be greater than during any other century in the 

last 1000 years.

 

Improved  knowledge  of  the  sources,  sinks,  and 

the  distribution  of  greenhouse  gases  is  needed  for  ac-

curate  predictions  of  climate  change. Aura  measures 

greenhouse  gases  such  as  methane,  water  vapor,  and 

ozone  in  the  troposphere  and  lower  stratosphere. Aura 

also measures both absorbing and reflecting aerosols in 

the lower stratosphere and lower troposphere, measures 

upper tropospheric water-vapor and cloud-ice concentra-

tions, and makes high-vertical-resolution measurements 

of some greenhouse gases in a broad swath (down to the 

clouds) across the tropical upwelling region. All of these 

measurements contribute key data for climate modeling 

and prediction.

Instrument Descriptions

Each of Aura’s four instruments makes important contri-

butions to answering the three science questions described 

above. The goal with Aura is to achieve ‘synergy’—mean-

ing that more information about the condition of the Earth 

is obtained from the combined observations of the four 

instruments than would be possible from the sum of the 

observations taken independently. The four instruments 

were carefully designed to achieve the overall mission 

objectives. Each has different fields of view and comple-

mentary capabilities.

HIRDLS

High Resolution Dynamics Limb Sounder

HIRDLS Background

HIRDLS is an advanced 

21–channel  infrared  ra-

diometer  observing  the 

6–17  μm  thermal  emis-

sion  of  the  Earth’s  limb 

and  designed  to  provide 

critical  information  on 

atmospheric  chemistry 

and  climate.  It  provides 

accurate measurements of trace gases, temperature, and 

aerosols in the upper troposphere, the stratosphere, and 

the mesosphere, with daily near–global coverage at high 

vertical resolution. HIRDLS looks backward and to the 

side away from the Sun and scans vertically. Very precise 

gyroscopes provide instrument–pointing information for 

HIRDLS. To detect the weak infrared radiation from the 

Earth’s  limb,  HIRDLS  detectors  must  be  kept  at  tem-

peratures below liquid nitrogen. An advanced cryogenic 

refrigerator is used to keep the detectors cool. 

 

The  University  of  Colorado,  Oxford  University 

(U.K.),  the  National  Center  for Atmospheric  Research 

(NCAR),  and  Rutherford Appleton  Laboratory  (U.K.) 

designed the HIRDLS instrument. Lockheed Martin built 

and integrated the instrument subsystems. The National 

Environmental Research Council funded the U.K.’s par-

ticipation. 

HIRDLS Contributions to Science  

Questions

Is the Stratospheric Ozone Level Recovering?

The largest ozone depletions occur over the poles in the 

lower  stratosphere  during  winter.  Therefore,  HIRDLS 

makes concentrated measurements in the northern polar 

region and retrieves high–vertical–resolution daytime and 

nighttime ozone profiles over the poles.

 

HIRDLS also measures NO

2

, HNO

3

, and CFCs, all 

gases  that  play  a  role  in  stratospheric  ozone  depletion. 

Although  international  agreements  have  banned  their 

production, CFCs are long–lived and will remain in the 

stratosphere for several more decades. By measuring pro-

files of the long–lived gases, from the upper troposphere 

into the stratosphere, HIRDLS can assess the transport of 

air from the troposphere into the stratosphere.

---