Press "Enter" to skip to content

Obserwacje satelitarne

Intencją obserwacji chmur jest stwierdzenie, czy w danym czasie i miejscu chmura była obecna, a po drugie – jeśli chmurę zaobserwowano – jakie miała właściwości fizyczne.

Z chronologicznego punktu widzenia pierwszymi obserwacjami zachmurzenia były wizualne obserwacje naziemne. Nie są to pomiary ani nawet obserwacje instrumentalne. Obserwator po prostu wychodzi przed budynek, podnosi głowę i dosłownie na oko szacuje, jaka część nieboskłonu jest pokryta chmurami. Niestety, obserwator nie jest w stanie powiedzieć, jaka jest grubość optyczna chmury, zawartość wody w chmurze itp. Może jedynie ocenić, jakiego rodzaju i gatunku były chmury, co w pewien sposób zastępuje wgląd we właściwości mikrofizyczne chmur.

Wiele cech wspólnych z obserwacjami naziemnymi miały pierwsze obserwacje zachmurzenia wykonywane z orbity (lata 60.). Na Ziemię docierały wtedy czarno-białe fotografie, na których chmury zapisywały się jako jasne plamy. Fotografię drukowano i kładziono przed meteorologiem, a ten również na oko starał się oszacować, jaka część kadru wypełniona jest chmurami. Podejście to odeszło do lamusa w latach 70. minionego wieku, gdy służbę rozpoczęły satelitarne spektroradiometry obrazujące. Współcześnie obserwujemy, jak radiometry zastępują również obserwacje naziemne.

Satelita Suomi-NPP, przykład współczesnego instrumentu wykorzystywanego w obserwacjach meteorologicznych, badaniach chmur i zachmurzenia. Fot. NASA/Ball Aerospace

„Radiometr” to urządzenie, które dokonuje pomiarów natężenia promieniowania elektromagnetycznego. Właśnie takimi pomiarami zajmują się satelity do obserwacji Ziemi – nie mierzą ani temperatury powietrza, ani wilgotności, ani opadu, a jedynie promieniowanie. Wyniki pomiarów są później analizowane przez naukowców, znających fizyczne mechanizmy interakcji promieniowania z atmosferą i powierzchnią planety.

Rejestrowane jest promieniowanie o różnej długości fali, czyli promieniowanie w różnych zakresach widma. Inne określenie „widma” to „spektrum”, stąd spektro-radiometr. Pomiary spektralne są ważne, gdyż ze zmianą długości fali zmienia się sposób odbijania/pochłaniania promieniowania przez atmosferę (w tym chmury). W efekcie powstaje „elektromagnetyczny odcisk palca”, unikalny dla poszczególnych gazów atmosferycznych czy rodzajów chmur.

Promieniowanie rejestrowane przez radiometr pochodzi z tzw. chwilowego pola widzenia. Odpowiada ono niewielkiemu fragmentowi powierzchni Ziemi, najczęściej mającemu średnicę od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Instrumenty są tak zaprojektowane, by w ciągu sekundy mierzyć promieniowanie z kilku tysięcy takich pól, leżących w jednej linii, jedno obok drugiego. Ponieważ linie również do siebie przylegają, otrzymujemy ciągły obraz zmiany natężenia promieniowania w przestrzeni. Dlatego radiometr zyskuje miano obrazującego.

Obserwacja atmosfery w różnych zakresach promieniowania. Dane z radiometru MODIS. Każdy z obrazków przestawia ten sam fragment atmosfery, obserwowany w tym samym czasie. Różnica wynika wyłącznie z innego zakresu widma. Grafiki kolorowe powstały z jednoczesnej wizualizacji danych w trzech zakresach. [Powiększ grafikę] Rys. A.Z. Kotarba
To, jak duże jest chwilowe pola widzenia, przekłada się wprost na szczegółowość obrazu satelitarnego. Sensory meteorologiczne zazwyczaj oferują rozdzielczość na poziomie 1 km/piksel, choć instrumenty nowszej generacji pozwalają zbierać dane z rozdzielczością nawet 250 m/piksel (przynajmniej w kilku kanałach spektralnych). W ciągu doby typowy satelita meteo na orbicie okołobiegunowej pokrywa danymi całą Ziemię dwa razy. To tak, jakby cały glob (lądy i morza) pokryć siecią stacji meteorologicznych oddalonych od siebie co 250 m lub 1 km.

Porównanie zasięgu obserwacji wykonanych jednego dnia instrumentami MODIS (A) i VIIRS (B). Dziury w danych MODIS wynikają z faktu, że w porównaniu z VIIRS MODIS ma mniejsze pole widzenia i porusza się po niższej orbicie. Rys.: Levy i in., 2015, doi:10.5194/amt-8-4083-2015.

Pomiar promieniowania to początek obserwacji zachmurzenia. Satelitarne mapy intensywności promieniowania są następnie klasyfikowane w taki sposób, by każdemu elementowi obrazu (każdemu pikselowi) przypisać jeden z dwóch stanów: „zachmurzony” lub „wolny od chmur”. Ponieważ nie zawsze piksel jest w całości wypełniony chmurami, nie zawsze można być pewnym, do której z dwóch klas powinien przynależeć. W takiej sytuacji dodaje się dodatkową klasę lub klasy, odzwierciedlające niepewność w detekcji chmury: „prawdopodobnie zachmurzony”, prawdopodobnie bezchmurny”, „częściowo zachmurzony”, itp.

Wizualizacja danych zebranych przez radiometr SEVIRI satelity Meteosat (po lewej), oraz maska chmur opracowana na bazie tych danych (po prawej; kolor biały = chmura, kolor zielony/niebieski = brak chmury). Rys. Eumetsat

Algorytm detekcji chmur zamienia mapę promieniowania na mapę tematyczną: maskę chmur. Jest ona odpowiednikiem obserwacji naziemnej zachmurzenia – w tym znaczeniu, że mówi, czy w danej chwili i w danym miejscu chmura była obecna, czy nie. Maska chmur wskazuje również drogę dla innych algorytmów. Te piksele, które oznaczono jako wolne od chmur, są analizowane pod kątem obecności aerozoli i ich właściwości. Dla pikseli zachmurzonych stosuje się złożone algorytmy, umożliwiające poznanie właściwości optycznych, mikrofizycznych, termodynamicznych chmur.

Częstość, z jaką piksele zachmurzone występują nad daną lokalizacją, pozwala ocenić, jakie jest średnie zachmurzenie ogólne w tym miejscu. Zauważmy, że satelita, patrząc pionowo z góry, widzi wszystkie chmury jako jedną warstwę. Jeśli chmury piętra średniego wypełniły całe chwilowe pole widzenia, satelita będzie miał problemy w stwierdzeniu, czy poniżej chmur średnich były chmury niskie. Ten sam problem mają obserwatorzy naziemni, przy czym umykają im chmury piętra średniego i wysokiego.

Rozwiązaniem są tutaj techniki teledetekcji aktywnej. Instrumenty aktywne nie ograniczają się jedynie do rejestrowania promieniowania, ale wcześniej same je emitują. Tak działają lidary i radary. Pierwsze w stronę chmur wysyłają impulsy światła (lub promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni), drugie – impulsy radiowe. Promieniowanie lasera odbija się nawet od najmniejszych składników chmury, więc technika ta doskonale nadaje się do badania chmur wysokich i wyznaczania wysokości wierzchołków chmur.

Przykład wszechstronnej obserwacji komórki burzowej, za pomocą technik teledetekcji satelitarnej. Instrumenty obrazujące satelitów geostacjonarnych pozwalają śledzić rozwój komórki (Fig. 4), nawet z kilkuminutową rozdzielczością czasową. Dane z satelitów okołobiegunowych dostarczają danych o bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej: o temperaturze wierzchołków chmur (Fig. 2), zawartości wody (Fig. 5), wielkości kropel/kryształów lodu w chmurze (Fig. 6), stanie skupienia wody (Fig. 7: lód zaznaczony na różowo). Instrumenty profilujące, jak np. radar CloudSat (Fig. 3) pozwalają uzyskać dane na temat struktury pionowej chmury (czarna linia na Fig. 2-7 pokazuje miejsce wykonania profilu radarowego). [Powiększ grafikę] Rys. A.Z.Kotarba
Fale radaru chmurowego w zasadzie nie zauważają chmur wysokich, odbijając się dopiero od większych kropel chmurowych w chmurach niższych. Co ważne, zarówno impulsy radaru, jak i lidaru, posiadają zdolność penetrowania chmur. W praktyce oznacza to, że klimatolog może dowiedzieć się, na jakiej wysokości znajdowały się chmury, które odbijały impuls. Stopień odbicia impulsu pozwala dodatkowo określać podstawowe właściwości mikrofizyczne chmur.

Dzięki lidarowi i radarowi chmurowemu możliwe jest poznanie pionowej struktury zachmurzenia – coś, czego trudno dokonać za pomocą obserwacji naziemnej czy radiometru obrazującego. Jest jednak małe „ale”. Instrumenty profilujące obserwują tylko fragment atmosfery znajdujący się dokładnie pod satelitą (pas o szerokości ~1 km wzdłuż trajektorii lotu). Natomiast instrumenty obrazujące potrafią obserwować także obszary na prawo i lewo w stosunku do trajektorii lotu – pas o szerokości nawet 3000 km.