Za meteorologickými družicemi

Družice pozorují Zemi z vesmíru už po desítky let. Jejich snímky se staly běžnou součástí předpovědí počasí. Jak pracují a co umí změřit? Jak přispívají ke studiu klimatu?

Na výletě se sdružením Aldebaran jsme navštívili fyzikální zajímavosti, jako stelarátor v německém Greifswaldu (článek zde) a muzeum holandské protipovodňové ochrany (článek zde).

Viděli jsme sadu 14 radioteleskopů v holandském Westerborku, vystavěných z podnětu Jana Oorta. Jsou to vlastně antény, zkoumající vzdálené galaxie a jiné vesmírné objekty v radiovém spektru. Tato řada teleskopů funguje v principu jako jeden velký teleskop, protože je možné pomocí počítačů složit obraz ze všech antén dohromady.

Dalším bodem výletu byl radioteleskop Effelsberg poblíž Bonnu, který rovněž zkoumá vesmír v radiovém oboru. Podílel se také na nedávném prvním snímku černé díry. Obří teleskop se nachází v údolí mezi horami, které jej stíní před rušivými vlivy. A to je opravdu potřeba, protože zemské rušení je milionkrát až miliardkrát silnější než měřené signály. Zapnutý mobil na Měsíci (se 2 watty a vzdálený 400.000 km) prý odpovídá třetímu nejsilnějšímu radiovému zdroji na obloze. S průměrem zrcadla 100 m je tento radioteleskop jeden ze tří největších plně pohyblivých radioteleskopů na světě.

Na závěr cesty jsme zavítali do řídicího střediska organizace EUMETSAT v německém Darmstadtu. Zde se sledují údaje z meteorologických družic a rozvíjejí systémy dlouhodobého pozorování naší zeměkoule. Česká republika se účastní práce Eumetsatu od roku 2005.

Život naší civilizace ve velké míře závisí na počasí. Meteorologické údaje jsou důležité pro leteckou a lodní dopravu, stavebnictví, zemědělství i pro běžný život občanů. Díky využití obnovitelné energie vzrůstá závislost mezi enegií a počasím. Předpovědi počasí ovlivňují předpovědi vstupu energie do sítí a výrobu energie. Dodávají klimatické záznamy o slunečním záření, které můžou pomoci při instalaci solární energie.

EUMETSAT (Evropská organizace pro využití meteorologických satelitů) provozuje několik družicových programů.

Jedním z nich je Meteosat, skupina geostacionárních družic, pozorujících ze stálých pozic nad rovníkem Evropu, Afriku a Indický oceán. Dosud bylo vypuštěno 11 družic, z nich jsou dnes čtyři aktivní. Provádějí snímkování celého zemského disku každých 15 minut a snímkování vybraných oblastí každých pět minut. Družicové snímky poskytují údaje o optických a fyzikálních vlastnostech mraků, oblastech mlhy a atmosférické nestabilitě.

Přístroje Meteosatu sledují Zemi ve 12 spektrálních kanálech, z nichž některé jsou infračervené, takže dodávají informace o teplotě mraků, zemského a mořského povrchu. Použitím spektrálních kanálů, které absorbují ozón, vodní páru a CO2, získávají družice data o atmosférických masách a umožňují trojrozměrné modely atmosféry.

Systém Meteosat dodává informace pro okamžitou předpověď počasí (nowcasting) nad Evropou a Afrikou, pro předpovídání bouří a vydávání včasných varování. Pozoruje výskyt mlhy a prachových bouří. Důležité může být i sledování pohybu a rozptylu mračen sopečného popílku, např. po výbuchu islandské sopky Eyjafjallajökull roku 2010.

Od roku 2022 se plánuje vypuštění družic Meteosat třetí generace ve spolupráci s evropskou kosmickou agenturou ESA. Družice budou skenovat jednak Evropu a Afriku každých 10 minut, jednak pouze Evropu každých 2,5 minuty. Družice typu MTG-I budou provádět snímkování v 16 spektrálních kanálech. Typ MTG-S bude vybaven infračerveným detektorem pro hloubková měření teploty. Bude dodávat výškové profily teploty a vlhkosti. Také ponese detektor ultrafialového a viditelného záření pro pozorování aerosolů, O3, NO2 a SO2.

Geostacionární družice Meteosat dodávají důležitá data pro předpovědi na nejbližší minuty a hodiny, ale nemůžou zajistit všechna data pro krátkodobé a střednědobé předpovědi. Ze své pozice vidí pouze 33% zemského povrchu, hlavně blízko rovníku. Navíc na nás shlížejí z výšky 36.000 km, což je celkem daleko.

Proto existuje EUMETSAT Polar System (EPS), což jsou družice na nízké, polární orbitě ve výšce asi 817 km. Ty mají globální pokrytí. První satelit Metop-A startoval r. 2006 z Bajkonuru, za šest let po něm Metop-B a jako poslední Metop-C v listopadu 2018 z kosmodromu Kourou. Tyto družice slouží pro numerické předpovědi počasí až na 10 dnů dopředu a pro monitorování klimatu. Můžou sledovat například známé brázdy nižšího tlaku vzduchu v polárních oblastech.

Družice Metop nesou několik druhů měřicích přístrojů. Interferometr IASI umožňuje určit výškové profily teploty a vlhkosti vzduchu s přesností na 1°C a 10%, s vertikálním rozlišením několika kilometrů v nižší troposféře. Scatterometr ASCAT měří rozptyl mikrovln, který způsobuje voda. Proto je schopen sledovat mořský led, sněhovou pokrývku a vlhkost půdy. Dále dodává vektory větrů nad oceánem, což je důležité zejména pro námořníky a rybáře.

Radiometr AVHRR měří odraženou sluneční energii a vyzářenou teplotní energii z moře, země a mraků. Spektrometr GOME-2 zjišťuje množství ozónu a jiných plynů a aerosolů v atmosféře.

Přístroj GRAS přijímá radiové signály vysílané navigačním systémem GPS a měří jejich fázový posuv. Tím se získají výškové profily teploty, tlaku a vodní páry v atmosféře. Dodává více než 500 profilů za den. Měření se provádějí, když družice GPS vycházejí či zapadají a jejich signál prochází silnou vrstvou atmosféry.

Každá družice Metop má navíc přijímač nouzových majáků z lodí a letadel a systém pro příjem a přenos signálů z bójí, lodí a pozemních stanic.

Systém polárních družic EPS pracuje v součinnosti s americkým úřadem NOAA (Národní úřad pro oceán a atmosféru). NOAA provozuje meteorologické družice na odpolední orbitě, zatímco Eumetsat a ESA provozují satelity pro ranní orbitu. Satelity obíhají Zemi na heliosynchronní dráze, přičemž oběhnou planetu 14x za den. Pokryjí každý bod na Zemi dvakrát denně.

Spolupráce na polárním systému zahrnuje nejen sdílení měřicích nástrojů, ale i stahování dat ze satelitů: data se stahují během každého oběhu, jednou na americké stanici McMurdo v Antarktidě a jednou na Špicberkách. Data z McMurdo i ze Špicberk se posílají do hlavního sídla Eumetsatu v Darmstadtu pro zpracování, archivaci a distribuci. V případě nouze je záložní centrum poblíž Madridu, ve Španělsku.

Data rozšiřuje GTS (Global Telecommunication System) a EumetCast, vysílací služba, která pokrývá Evropu, Afriku a část Ameriky. Data mohou uživatelé přijímat také přímo ze satelitů.

Data z družic se archivují v datovém centru Eumetsat, v archivu už je 28 let záznamů z EPS a 40 let ze systému Meteosat, což zajistí dlouhodobé datové série pro výzkum klimatu. Globální systém pozorování klimatu GCOS stanovil 50 podstatných klimatických proměnných (ECV), družice Eumetsatu mohou systematicky a globálně pozorovat 31 z nich. Po záchraně, rekalibraci a novém zpracování dlouhých sérií dat za použití nejnovějších algoritmů již Eumetsat dodal klimatické záznamy k 15 proměnným a plánuje dodat více k dalším.

Klíčový parametr klimatické změny - výšku mořské hladiny - sleduje družice Jason-3 s přesností na několik centimetrů. Družice globálně mapuje výšku mořské hladiny jednou za 10 dní. Program Jason je výsledkem spolupráce čtyř kosmických agentur: NOAA, NASA, Eumetsatu a francouzského Národního centra kosmického výzkumu. Měření ukazují průměrný roční vzestup hladiny moří o 3,34 mm. (zdroj)

Roku 2015 přijalo OSN plán s názvem "Přeměna našeho světa - agenda 2030 pro udržitelný rozvoj". Plán obsahuje 169 cílů na dobu 15 let (například odstranění chudoby a hladu, ochrana zdraví, kvalitní vzdělání, čistá energie a klimatická akce). Systematické a globální pozorování Země z meteorologických družic může pomoci při rozhodování a formulování politiky ve všech oblastech na světě.

A nebo nám aspoň pomůže při rozhodování, co budeme dělat o víkendu.