14 sierpnia 1959 roku amerykański satelita Explorer 6 wykonał pierwsze zdjęcie satelitarne naszego globu. W 1972 roku Stany Zjednoczone rozpoczęły program LANDSAT, a pięć lat później system satelitarny KH-11 przesłał pierwsze zdjęcia w czasie rzeczywistym.
AUTOR: Janusz Zieliński, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju
Dziś teledetekcja satelitarna jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin nauki, a dane pozyskiwane z satelitów są wykorzystywane w wielu sektorach światowej gospodarki. Szczególnie znaczenie technologia ta ma w badaniach środowiskowych. Ze względu na dużą rozdzielczość przestrzenną i czasową zdjęcia satelitarne stały się kamieniem milowym w rozwoju meteorologii i hydrologii.
Początki obserwacji z powietrza
W 1858 roku francuski fotograf i dziennikarz Gaspard-Félix Tournachon, lepiej znany jako Nadar, wykonał pierwsze zdjęcie lotnicze powierzchni Ziemi. Wykorzystał w tym celu balon na ciepłe powietrze, a krajobrazem który sfotografował była dolina rzeki Bievre. Niestety zdjęcia Nadara zaginęły. Najstarszą zachowaną fotografią lotniczą jest zdjęcie Bostonu (USA) z 1860 roku.
W Polsce prekursorem aerofotografii był Konrad Brandel, który 30 lipca 1865 roku wykonał kilka zdjęć podczas lotu balonem nad Warszawą. Przez następne dziesięciolecia fotografia lotnicza stawała się coraz popularniejsza – ulepszono aparaty, zautomatyzowano wykonywanie zdjęć, wprowadzono nowe obiektywy. Milowy krok w tej dziedzinie uczyniono w 1946 roku. 24 października na pustyni w Nowym Meksyku (USA) wystrzelono pocisk V-2, na pokładzie którego zainstalowano aparat z filmem 35 mm [1]. Efektem były pierwsze zdjęcia Ziemi widzianej z kosmosu. W końcu w 1960 roku na orbitę okołoziemską wprowadzono pierwszego satelitę meteorologicznego TIROS 1. Pracował przez 78 dni aż do awarii systemu elektrycznego, która spowodowała zerwanie połączenia. W tym czasie przesłał do stacji odbiorczych w New Jersey i na Hawajach blisko 23 tys. obrazów Ziemi.
Kluczem jest teledetekcja
Satelita meteorologiczny nie wykonuje zdjęć, nie mierzy temperatury powietrza ani wielkości opadu. Jak zatem powstaje zdjęcie satelitarne i w jaki sposób można z niego odczytać tak wiele danych?
Kluczem jest teledetekcja satelitarna, dziedzina nauki polegająca na mierzeniu promieniowania odbitego, rozproszonego i wyemitowanego przez Ziemię i atmosferę w różnych pasmach widma elektromagnetycznego (tzw. kanałach). Kanał spektralny to określony (wąski) zakres widma elektromagnetycznego rejestrowany jako pojedynczy obraz. Satelita meteorologiczny dokonuje takiego pomiaru za pomocą radiometru. Urządzenie to „zbiera” promieniowane z Ziemi, następnie za pomocą różnych technik przekształca się zmierzone dane, aby uzyskać obraz satelitarny i inne użyteczne wielkości fizyczne (np. temperaturę, wilgotność itp.). Podstawową jednostką opisującą promieniowanie jest mikrometr (µm).
Geostacjonarny czy okołobiegunowy
Satelity meteorologiczne różnią się technologią, rozmiarem i trybem pracy, ale najistotniejszym aspektem jest ich umiejscowienie w przestrzeni kosmicznej.
Satelita geostacjonarny umieszczony jest na tzw. orbicie geostacjonarnej (w płaszczyźnie równikowej) na wysokości około 36 tys. km nad powierzchnią ziemi. Porusza się on synchronicznie do obrotu Ziemi wokół swojej osi, dlatego dla obserwatora znajdującego się na Ziemi satelity tego typu pozostają pozornie nieruchome. Dzięki temu satelita zawsze „widzi” tę samą część powierzchni planety i atmosfery, a odpowiednia liczba takich urządzeń na orbicie pozwala obserwować całą półkulę ziemską 24 godziny na dobę. Wadą jest jednak mała rozdzielczość przestrzenna wykonywanych zobrazowań – dla Polski wielkość piksela to 5 km. METEOSAT, należący do Europejskiej Organizacji Eksploatacji Satelitów meteorologicznych (EUMETSAT), to główny satelita geostacjonarny wykorzystywany operacyjnie w IMGW-PIB.
Z kolei satelita okołobiegunowy porusza się po tzw. orbitach biegunowych (polarnych) na wysokości około 850 km. Orbita taka przebiega nad biegunami lub w ich pobliżu i przecina płaszczyznę równika przy każdym obrocie w innym miejscu. Umożliwia to obserwację całej powierzchni planety w ciągu 3 dni, przy użyciu jednego satelity. Okres obiegu po orbicie trwa około 102 minuty. Do głównych zalet satelitów polarnych należy zaliczyć bardzo dobrą rozdzielczość przestrzenną (10 m – 1 km) oraz pomiar promieniowania w zakresie mikrofalowym widma.
W IMGW-PIB operacyjnie wykorzystuje się dane z satelitów serii NOAA, Metop, Suomi NPP oraz Terra i Aqua.
Jak czytać zdjęcia satelitarne
W pracy operacyjnej synoptyka IMGW-PIB największe zastosowanie mają dane z satelity geostacjonarnego Meteosat, a precyzyjniej Meteosat Second Generation (MSG).
MSG do pomiaru promieniowania elektromagnetycznego używa radiometru o nazwie SEVIRI i rejestruje je w 12 kanałach. Dzięki tak dużej liczbie kanałów możemy uzyskać bardzo wiele różnych obrazów satelitarnych, jednak są one dość trudne w interpretacji. Pojedynczy obraz przedstawia jedynie odcienie szarości, które odpowiadają promieniowaniu rejestrowanemu w danym kanale. Potrzeba czasu i doświadczenia, aby móc w pełni korzystać z informacji, jakie dają nam obrazy satelitarne. Synoptyk pełniący dyżur wykorzystuje je przede wszystkim do śledzenia zachmurzenia nad danym obszarem kuli ziemskiej.
KANAŁY SPEKTRALNE SATELITY MSG
| Numer kanału | Zakres pasma spektralnego w µm (min-max) | A. Charakterystyka B. Wykorzystanie w meteorologii |
|---|---|---|
| 1 | 0.6 (0.56-0.71) | A. Pasmo widzialne (VIS). Dane dostępne tylko w ciąg dnia. B. Wykrywanie i śledzenie chmur, monitorowanie wegetacji. |
| 2 | 0.8 (0.74-0.88) | A. Pasmo widzialne (VIS) – dane dostępne tylko w ciągu dnia. B. Wykrywanie i śledzenie chmur, monitorowanie wegetacji. |
| 3 | 1.6 (1.50-1.78) | A. Bliska podczerwień (NIR). B. Rozróżnienie śniegu od chmur, chmur wodnych od lodowych, detekcja mgły w dzień. |
| 4 | 3.9 (3.48-4.36) | A. Podczerwień (IR). B. Detekcja niskich chmur i mgły (dzień i noc), temperatura powierzchni w nocy, rozpoznanie chmur wodnych/lodowych, detekcja pożarów. |
| 5 | 6.2 (5.35-7.15) | A. Pasmo pochłaniania pary wodnej (WV). B. Informacja o parze wodnej w troposferze, rozpoznanie dynamiki troposfery, wykrywanie intensywnego opadu konwekcyjnego, identyfikacja wlewów powietrza ze stratosfery, identyfikacja prądu strumieniowego. |
| 6 | 7.3 (6.85-7.85) | A. Pasmo pochłaniania pary wodnej (WV). B. Informacja o parze wodnej w troposferze, rozpoznanie dynamiki troposfery, wykrywanie intensywnego opadu konwekcyjnego, identyfikacja wlewów powietrza ze stratosfery, identyfikacja prądu strumieniowego. |
| 7 | 8.7 (6.85-7.85) | A. Podczerwień (IR) B. Rozróżnienie chmur wodnych od lodowych, detekcja mgieł. |
| 8 | 9.7 (9.38-9.94) | A. Pasmo pochłaniania ozonu. B. informacje o procesach w dolnej stratosferze i górnej troposferze, monitoring ozonu (dane wykorzystywanie w modelach numerycznych). |
| 9 | 10.8 (9.80-11.80) | A. Podczerwień (IR). B. Całodobowy monitoring zachmurzenia, pomiar temperatury powierzchni ziemi i morza oraz wierzchołków chmur, detekcja chmur wysokich typu cirrus. |
| 10 | 12 (11.00-13.00) | A. Podczerwień (IR). B. Całodobowy monitoring zachmurzenia, pomiar temperatury powierzchni ziemi i morza oraz wierzchołków chmur, detekcja chmur wysokich typu cirrus. |
| 11 | 13.4 (12.40-14.40) | A. Pasmo pochłaniania CO2. B. Pomocne w określaniu wysokości chmur półprzeźroczystych, wykorzystywany do określania stabilności atmosfery. |
| 12 | Szerokie pasmo: 0.5-0.9 | A. Pasmo widzialne – tylko w ciągu dnia, kanał wysokiej rozdzielczości przestrzennej (HRV). B. Wykorzystywany do detekcji i śledzenia konwekcji, detekcji mgły, chmur orograficznych. |
Zastosowanie zdjęć satelitarnych w IMGW-PIB
W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej PIB produkty teledetekcji satelitarnej wykorzystywane są w trzech obszarach:
- W meteorologii – do diagnozy aktualnego stanu atmosfery, prognozowania ultra-krótkoterminowego (nowcastingu), osłony meteorologicznej lotnictwa, w numerycznych modelach prognostycznych oraz prognoz i diagnozy sytuacji burzowych.
- W hydrologii – do analizy intensywności i sumy opadów, monitorowania wilgotności gleby, pokrywy śnieżnej oraz jako dane wejściowe do modeli hydrologicznych.
- W osłonie morskiej – do badania pola wiatru na powierzchni morza, monitorowania temperatury i poziomu morza, zasolenia oraz falowania.
Graficzny obraz obszaru zagospodarowania danych satelitarnych w IMGW-PIB przedstawiony jest na rysunku poniżej.
Przyszłość
System satelitów meteorologicznych jest stale rozwijany. Jednak ze względu na cykl powstawania nowych technologii, zasadnicze skoki w jakości danych występują w okresach 10-20 letnich. Wiele specjalizowanych produktów satelitarnych jest na etapie powstawania i testowania. Niemniej istniejące w sieci IMGW-PIB produkty satelitarne są pomocne do analizy i ultrakrótkoterminowej prognozy wielu zjawisk.
[1] O całym projekcie Hermes V-2 można przeczytać w raporcie końcowym https://archive.org/details/finalreportproje00whit/mode/2up
[…] Meksyku (USA) wystrzelono pocisk V-2, na pokładzie którego zainstalowano aparat z filmem 35 mm [1]. Efektem były pierwsze zdjęcia Ziemi z kosmosu. W końcu w 1960 roku na orbitę okołoziemską […]