Pogodę – zestaw stosunkowo krótkotrwałych zjawisk atmosferycznych – jest trudna do przewidzenia ze względu na dużą liczbę wpływających na nią czynników oraz zmienność ich oddziaływania. Atmosfera ziemska jest złożonym układem dynamicznym, dlatego aby poprawić dokładność prognoz, należy w każdym momencie uwzględniać jej stan w różnych regionach. Satelity meteorologiczne od kilkudziesięciu lat są niezbędnym narzędziem do prowadzenia badań atmosferycznych w skali globalnej.
Rozpoczęcie obserwacji pogody kosmicznej
Satelita, który wykazał fundamentalną przydatność statku kosmicznego do obserwacji meteorologicznych, to amerykański TIROS-1, wystrzelony 1 kwietnia 1960 roku.
Satelita przesłał pierwszy telewizyjny obraz naszej planety z kosmosu. Następnie na bazie tego typu urządzeń powstał globalny satelita meteorologiczny o tej samej nazwie.system.
Pierwszy meteorologiczny satelita ZSRR, Kosmos-122, został wystrzelony 25 czerwca 1966 roku. Posiadał na pokładzie sprzęt do strzelania w zakresie optycznym i podczerwonym, umożliwiał badanie rozkładu chmur, pól lodowych i pokrywy śnieżnej, a także pomiar charakterystyk temperaturowych atmosfery po dziennej i nocnej stronie Ziemi. Od 1967 r. w ZSRR zaczął funkcjonować system Meteor, który stanowił podstawę później rozwijanych systemów meteorologicznych do różnych celów.
Satelitarne systemy pogodowe różnych krajów
Spadkobiercami Meteora zostało kilka serii satelitów, takich jak Meteor-Nature, Meteor-2 i Meteor-3, a także urządzenia z serii Resurs. Od początku 2000 roku trwa tworzenie kompleksu Meteor-3M. Ponadto liczba satelitów meteorologicznych Rosji obejmowała dwa satelity kompleksu Electro-L. Z pierwszym, który pracował na orbicie przez 5 lat i 8 miesięcy, połączenie zostało utracone w 2016 roku, drugi nadal działa. Planowane jest wystrzelenie trzeciego satelity z tej serii.
W USA, oprócz systemu TIROS, opracowano i wykorzystano statki kosmiczne z serii Nimbus, ESSA, NOAA, GOES. Kilka serii NOAA i GOES jest obecnie w użyciu.
Europejskie satelitarne systemy pogodowe są reprezentowane przez dwie generacje Meteosatów, MetOp, a także wycofanych z produkcji ERS i Envisat - jednego z największych urządzeń wystrzeliwanych na niską orbitę okołoziemską przez Europejską Agencję Kosmiczną.
Japonia („Himawari”), Chiny („Fengyun”), Indie (INSAT-3DR) i niektóre inne kraje mają własne satelity meteorologiczne.
Rodzaje satelitów
Statki kosmiczne wchodzące w skład kompleksów meteorologicznych dzielą się na dwa typy w zależności od parametrów orbity i odpowiednio do celu:
- Satelity geostacjonarne. Wystrzeliwane są w płaszczyźnie równikowej, zgodnie z kierunkiem obrotu Ziemi, na wysokość 36 786 km nad poziomem morza. Ich prędkość kątowa odpowiada prędkości obrotowej planety. Przy takiej charakterystyce orbitalnej satelity tego typu są zawsze powyżej tego samego punktu, jeśli nie uwzględni się fluktuacji i „dryfu” spowodowanych błędami orbitowania i anomaliami grawitacyjnymi. Nieustannie obserwują jeden obszar, który stanowi około 42% powierzchni Ziemi - trochę mniej niż półkula. Satelity te nie pozwalają na obserwację regionów o najwyższych szerokościach geograficznych i nie dają szczegółowego obrazu, ale dają możliwość ciągłego monitorowania sytuacji w dużych regionach.
- Satelity polarne. Pojazdy tego typu poruszają się po znacznie niższych orbitach – od 850 do 1000 km, przez co nie zapewniają szerokiego pokrycia obserwowanego terytorium. Jednak ich orbity z konieczności przechodzą nad biegunami Ziemi, a jeden satelita tego typu jest w stanie „usunąć” całą powierzchnię planety w wąskich (około 2500 km) pasmach z dobrą rozdzielczością przy określonej liczbie orbit. Przy jednoczesnym działaniu dwóch satelitów znajdujących się na synchronicznych ze słońcem orbitach polarnych, każdy region jest badany zinterwał 6 godzin.
Ogólny opis i charakterystyka satelitów meteorologicznych
Statek kosmiczny przeznaczony do obserwacji meteorologicznych składa się z dwóch modułów: modułu serwisowego (platforma satelitarna) i nośnika ładunku (przyrządy). W przedziale serwisowym znajdują się urządzenia zasilające, które dostarczają energię z zamontowanych na niej paneli słonecznych wraz z chłodnicą i układem napędowym. Do modułu pracującego podłączony jest kompleks radiotechniczny wyposażony w kilka anten i czujników do monitorowania sytuacji heliofizycznej.
Waga startowa takich urządzeń zwykle sięga kilku ton, ładowność wynosi od jednej do dwóch ton. Rekordzista wśród satelitów meteorologicznych – europejski Envisat – miał masę startową ponad 8 ton, użyteczną – ponad 2 tony o wymiarach 10 × 2,5 × 5 m. Przy rozłożonych panelach jego szerokość sięgała 26 metrów. Wymiary amerykańskiego GOES-R to 6,1 × 5,6 × 3,9 m przy prawie 5200 kg masy startowej i 2860 kg suchej masy. Rosyjski Meteor-M nr 2 ma średnicę korpusu 2,5 m, długość 5 m, szerokość z rozmieszczonymi panelami słonecznymi 14 m. Ładowność satelity wynosi około 1200 kg, masa startowa była nieco mniejsza niż 2800 kg. Poniżej zdjęcie satelity meteorologicznego „Meteor-M” nr 2.
Naukowy sprzęt satelitarny
Z reguły satelity pogodowe mają na wyposażeniu dwa rodzaje instrumentów:
- Przegląd. Za ich pomocą uzyskuje się obrazy telewizyjne i fotograficzne powierzchni lądu i oceanów, chmur, pokrywy śnieżnej i lodowej. Wśród tych urządzeń są co najmniej dwa wielostrefowe urządzenia do obrazowania w różnych zakresach spektralnych (widzialne, mikrofalowe, podczerwone). Strzelają w różnych rozdzielczościach. Satelity są również wyposażone w radarowy system skanowania powierzchni.
- Pomiar. Za pomocą tego typu przyrządów satelita zbiera ilościowe charakterystyki odzwierciedlające stan atmosfery, hydrosfery i magnetosfery. Takie cechy obejmują temperaturę, wilgotność, warunki promieniowania, aktualne parametry pola geomagnetycznego itp.
Ładunek satelity meteorologicznego obejmuje również pokładowy system akwizycji i transmisji danych.
Odbieranie i przetwarzanie danych na Ziemi
Satelita może działać zarówno w trybie przechowywania informacji z następującą transmisją pakietu danych do naziemnego kompleksu odbiorczego i przetwarzania, jak i prowadzić bezpośrednią transmisję bezpośrednią. Dane satelitarne odbierane przez kompleks naziemny poddawane są dekodowaniu, podczas którego informacje są łączone czasem i współrzędnymi kartograficznymi. Następnie dane z różnych statków kosmicznych są łączone i dalej przetwarzane w celu stworzenia wizualnie dostrzegalnych obrazów.
Światowa Organizacja Meteorologiczna przyjęła koncepcję „otwartego nieba”, deklarując bezpłatny dostęp do informacji meteorologicznych – niezaszyfrowanychdane w czasie rzeczywistym z satelitów. Aby to zrobić, musisz mieć odpowiedni sprzęt odbiorczy i oprogramowanie.
Międzynarodowy System Obserwacji Meteorologicznych
Ponieważ istnieje tylko jedna orbita geostacjonarna, jej wykorzystanie wymaga koordynacji między agencjami kosmicznymi a służbami meteorologicznymi (oraz innymi zainteresowanymi) różnymi krajami. Tak, a wybierając w chwili obecnej niskie orbity biegunowe, nie można obejść się bez koordynacji. Ponadto monitoring satelitarny niebezpiecznych zdarzeń pogodowych (takich jak tajfuny) powoduje konieczność połączenia wysiłków służb hydrometeorologicznych i wymiany istotnych informacji, ponieważ pogoda nie zna granic państwowych.
Harmonizacja międzynarodowych zagadnień związanych z zastosowaniem systemów kosmicznych w prognozowaniu pogody jest zadaniem Grupy Koordynacyjnej ds. Satelitów Meteorologicznych w ramach WMO. Udostępnianie satelitarnych systemów pogodowych rozpoczęło się już w latach 70. XX wieku. Koordynacja w tym obszarze jest teraz szczególnie ważna. W końcu międzynarodowa konstelacja satelitów meteorologicznych umieszczonych na orbicie geostacjonarnej obejmuje statki kosmiczne z wielu krajów: Stanów Zjednoczonych, krajów europejskich, Rosji, Indii, Chin, Japonii i Korei Południowej.
Perspektywy technologii kosmicznej w meteorologii
Nowoczesne satelity pogodowe są częścią globalnego systemu teledetekcji Ziemi i jako takie mają poważne perspektywy rozwoju.
W pierwszej kolejności planowane jest rozszerzenie ich udziału w monitorowaniu zagrożeń naturalnych, klęsk żywiołowych, niebezpiecznych zjawisk, w prognozowaniu długoterminowych zmian klimatu. Po drugie, satelity meteorologiczne Ziemi powinny być oczywiście coraz częściej wykorzystywane jako narzędzia do pozyskiwania wiedzy o procesach zachodzących w atmosferze i hydrosferze, a także o stanie pola geomagnetycznego, zarówno o wartości aplikacyjnej, jak i podstawowej.
