Obserwacje satelitarne

1

Dział 3: Obserwacje satelitarne.

________________________________________________________________________________

Zagadnienia

Ruch satelity po orbicie kołowej. Orbita geostacjonarna i niska orbita polarna. Obserwacje w podczerwieni i świetle widzialnym. Podstawowe źródła i archiwa zdjęć satelitarnych.

________________________________________________________________________________

Cele

Po zapoznaniu się z materiałem tej części wykładu, powinieneś / powinnaś:

- znać zalety i wady, możliwości i ograniczenia w wykonywaniu zdjęć z pokładu satelitów umieszczonych na orbicie geostacjonarnej i niskiej orbicie polarnej

- znać zalety i wady wykonywania zdjęć w różnych pasmach fal elektromagnetycznych

- umieć wyszukać potrzebne zdjęcia satelitarne

________________________________________________________________________________

Ruch satelity po orbicie kołowej

Satelitarny system obserwacji pogody opiera się na satelitach umieszczonych na orbicie geostacjonarnej i krążących wokół Ziemi na niskiej orbicie okołobiegunowej. Rozmieszczenie takie pozwala na wykorzystanie zalet obydwu orbit.

W ruchu po orbicie kołowej, działająca na satelitę siła grawitacji Ziemi

GMm

F =

R 2

stanowi siłę dośrodkową,

4 2 R 2 m

F = m  R 2=

T 2

która powoduje ciągłe zmiany kierunku ruchu satelity w trakcie jego krążenia po orbicie. We wzorach powyższych,

G = 6,6710-11 N m2 kg-2 – stała grawitacji,

M = 5,974kg – masa Ziemi,

R – promień orbity,

m – masa satelity,

 - prędkość kątowa satelity,

T – okres obiegu satelity po orbicie.

Stąd, zależność między promieniem orbity kołowej Ziemi, a okresem jej obiegu ma postać R 3 GM

=

=1,009 ∗1013 m 3 s−2

T 2

4 2

Z powyższej zależności wynika, iż różnym promieniom orbity odpowiadać będą różne okresy jej obiegania.

W szczególności, można dobrać promień orbity tak, aby umieszczony na orbicie satelita poruszał się z taką samą Meteorologia

Łobocki

Obserwacje satelitarne

2

prędkością kątową, jak prędkość kątowa obrotu Ziemi. Wówczas, z punktu widzenia obserwatora umieszczonego na powierzchni planety, satelita ten będzie względem niego nieruchomy. Orbitę taką nazywamy

geostacjonarną. Podstawiając w ostatniej zależności okres obiegu orbity geostacjonarnej T = 24 godz. =

8,64s, otrzymujemy wartość R 4,22107 m.

Obserwacja Ziemi z orbity geostacjonarnej ma kilka zalet. Umieszczone na pokładzie czujniki mogą być stale nakierowane na ten sam obszar, co umożliwia sporządzanie sekwencji zdjęć o dowolnej długości.

Upraszcza to analizę porównawczą i wizualizację zachodzących w czasie zmian oraz usuwa część problemów z dowiązywaniem zdjęcia. Korzyści te okupione są jednak następującymi niedostatkami:

 Satelita posiada ograniczony horyzont obserwacji, określany kołem utworzonym w miejscach styczności stożka, którego tworzącą jest styczna do powierzchni Ziemi, wystawiona z punktu umieszczenia satelity.

Obszary okołobiegunowe leżą poza horyzontem i nie są widoczne, nadto fragmenty obrazu położone w obszarze widzenia, ale w pobliżu horyzontu są silnie zdeformowane przez skrót perspektywiczny.

 Odległość satelity od powierzchni Ziemi, wynosząca ok 36 tys. km (średni promień Ziemi wynosi 6378 km) ogranicza rozdzielczość otrzymywanych obrazów, w porównaniu z rozdzielczością, jaką możnaby otrzymać, umieszczając satelitę na jak najmniejszej wysokości.

Z tych powodów, prócz systemu satelitów geostacjonarnych używa się satelitów orbitujących na niskiej

orbicie okołobiegunowej, położonej w zewnętrznej części egzosfery Ziemi lub poza nią. Wysokość tej orbity wynosi 850-1500 km nad powierzchnią Ziemi. Podstawiając w ostatnio otrzymanym wzorze wartość promienia orbity R = 7 m, otrzymujemy odpowiadający mu okres obiegu T =5,86 s, czyli ok. 1 godz. 40 minut.

Obraz otrzymywany z niskiej orbity okołobiegunowej może mieć znacznie większą rozdzielczość, niż z położonej 40-krotnie wyżej orbity geostacjonarnej, i zapewniona jest widoczność obszarów okołobiegunowych.

Natomiast:

 horyzont jest wielokrotnie mniejszy, niż satelity geostacjonarnego; zdjęcia z pojedynczego przelotu nie zapewniają dostatecznej informacji do ogólnej oceny sytuacji synoptycznej

 okolice okołobiegunowe znajdują się w polu widzenia tego samego satelity ok. 18 razy na dobę, ale dla obszarów strefy równikowej częstość ta jest mniejsza – 2 razy w ciągu doby i nie wystarcza do zachowania ciągłości czasowej przy analizie rozwoju sytuacji.

W ten sposób, obydwa systemy uzupełniają się wzajemnie, dostarczając kompletnej informacji dla potrzeb bieżącej analizy stanu pogody na całej planecie.

________________________________________________________________________________

Pasma obserwacji – rodzaje zdjęć satelitarnych

Umieszczone na pokładzie satelitów radiometry wyposażone są w ruchome zwierciadła, kierujące promieniowanie docierające od określonego wycinka przestrzeni (odpowiadające pojedynczemu elementowi tworzonego obrazu – pikselowi zdjęcia), na powierzchnię czujnika. Zwierciadło przemiata fotografowany obszar linia po linii. Czujnik radiometru może rejestrować promieniowanie elektromagnetyczne o różnych długościach fal, przy czym dla fal krószych osiąga się większą rozdzielczość. Dla celów meteorologicznych użyteczne są te zakresy długości fal, w których fale te nie są całkowicie pochłaniane przez obecne w atmosferze gazy (tzw. okna atmosferyczne):

 zakres widzialny (VIS, TV, ok. 0.6 m). W zakresie tym rejestrowane jest promieniowanie słoneczne, rozproszone lub odbite od powierzchni Ziemi i znajdujących się w atmosferze cząstek gazów i aerozoli.

Zróżnicowanie albedo pozwala na odróżnienie rodzaju powierzchni – powierzchnia oceanu jest zwykle na zdjęciach ciemna, natomiast powierzchnie pokryte śniegiem i grube chmury są jasne. Widoczne są ponadto –

przy ukośnym oświetleniu – cienie i oświetlone boczne krawędzie chmur, co może być pomocne przy ocenie ich grubości.

Jasność chmur na zdjęciu wykonanym w paśmie widzialnym zależy od ilości kropelek wody lub kryształków lodu w chmurach. Cienkie chmury pierzaste ( Cirrus, Cirrostratus) są zwykle słabo widoczne, natomiast Meteorologia

Łobocki

Obserwacje satelitarne

3

chmury zawierające w swym profilu pionowym duże ilości kropelek (np. Stratus) i mgła są wyraźne, jasne.

Istotnym mankamentem obrazów w paśmie widzialnym jest fakt, iż dostarczają one użytecznej informacji tylko z oświetlonej części planety.

 Zakres podczerwieni (IR, 10-12 m). W zakresie tym rejestrowane jest promieniowanie własne Ziemi i atmosfery. Gęstość mocy promieniowania zależy silnie od temperatury i dana jest prawem Stefana-Boltzmanna:

E= T 4

w którym T jest temperaturą promieniującego ciała (w skali termodynamicznej), jest współczynnikiem zdolności emisyjnej o wartości w przedziale (0, 1), a - stałą fizyczną, zwaną stałą Stefana-Boltzmanna.

Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane w chmurach, stąd też obserwowane z przestrzeni kosmicznej promieniowanie chmur pochodzi głównie z ich wierzchniej części; jasność chmur na zdjęciu IR

jest więc miarą wysokości ich wierzchołków. Na zdjęciach wykonanych w podczerwieni obszary zimne są jasne, a ciepłe – ciemne.

Różnice w wyglądzie chmur na zdjęciach VIS i IR pozwalają zidentyfikować ich rodzaj. Cienkie chmury Cirrus są jasne na zdjęciach IR, a ciemne lub słabo widoczne na zdjęciach VIS. Chmury burzowe Cumulonimbus są jasne na obydwu typach zdjęć, zaś chmury Stratus są jasne na zdjęciach VIS, a ciemne – na zdjęciach IR.

 Zakres emisji-absorpcji pary wodnej (WV, 6,5-6,9 m). W zakresie tym rejestrowane jest promieniowanie zawartej w atmosferze pary wodnej. Obszary jaśniejsze na tych zdjęciach odpowiadają wysokiej zawartości pary wodnej w przedziale wysokości 300-600 hPa, ciemne – suchym rejonom górnej troposfery, przezroczystej dla promieniowania pary wodnej zawartej w dolnej troposferze. Chmury wysokie są widoczne jako białe.

________________________________________________________________________________

Ćwiczenia oraz informacja dostępne w Internecie

Ø http://profhorn.aos.wisc.edu/wxwise/satir/index.html

Ø

h ttp://profhorn.aos.wisc.edu/wxwise/satir/IRThick.html

Ø http://profhorn.aos.wisc.edu/wxwise/satir/IRCloud.html

Ø

h ttp://profhorn.aos.wisc.edu/wxwise/satir/VisThick.html

Ø http://www.ssec.wisc.edu/~tomw/ams/amsimage.html

Ø

h ttp://profhorn.aos.wisc.edu/wxwise/satir/watercloud.html

Ø

h ttp://www.eumetsat.int/Home/index.htm

Ø

h ttp://www.ssec.wisc.edu/datacenter/

Ø

h ttp://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime

Ø

h ttp://datafed.net/

Ø

h ttp://www.epa.gov/geoss/whereyoulive.html

Ø http://www.srh.weather.gov/jetstream/remote/satellite.htm

________________________________________________________________________________

Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne

1. Czy na podstawie zdjęcia satelitarnego wykonanego w paśmie widzialnym mógłbyś określić temperaturę oceanu?

2. Opisz, w jaki sposób możesz szacować wysokość wierzchołków chmur przy pomocy zdjęć satelitarnych. W jakim paśmie fal elektromagnetycznych winny być wykonane te zdjęcia?

3. Porównaj zalety i wady zdjęć wykonanych z orbity geostacjonarnej i niskiej orbity polarnej.

Meteorologia

Łobocki