Prodlouženýma očima meteorologů jsou družice, které pozorně sledují povrch Země a její atmosféru. Po vojenské špionáži tak potřebný nadhled získali i vědci. Co vlastně mohou družice vidět?
Měření z meteorologických družic, meteorologických radiolokátorů a systémů pro detekci blesků řadíme mezi takzvané dálkové metody sledování atmosféry. Oproti přímým metodám, jakými jsou třeba balonové sondy, poskytují tato zařízení odborníkům podstatně přehlednější a navzájem spojitelné velkoplošné informace. Meteorologické družice, spolu s radarovými měřeními, jsou tedy v současné době základní zbraní meteorologů při analýze aktuálního stavu počasí a především při „vaření“ krátkodobých předpovědí, tedy předpovědi na nejbližší desítky minut až hodin.
Neméně důležitá jsou rovněž družicová měření vertikálního profilu a složení atmosféry či informace o množství některých atmosférických plynů. Mimo to se satelity využívají například ke sledování sněhové pokrývky a oceánského ledu, k monitorování vegetace nebo ohnisek velkých požárů.
Když družice stojí…
Operativní meteorologické družice se dělí na ty, které jakoby stojí nad jedním místem zemského povrchu družice (geostacionární) a družice na nízkých polárních dráhách, tedy na dráhách, které přetínají oblasti severního a jižného pólu. Meteorologická družice na geostacionární dráze musí mít oběžnou dobu stejnou jako je doba rotace Země. Aby to však dokázala a neutekla někam jinam, je nutné pomocí fyzikálních rovnic odvodit výšku její kruhové dráhy, odborně nazývané geosynchronní. Průměrná výška této dráhy nad zemským povrchem je na rovníku 35 790 km. Navíc musí být rovina oběžné dráhy družice a rovina rovníku totožné. Družice se tedy vůči zemskému povrchu zdánlivě nepohybuje, stále snímá stejnou část povrchu Země, což jí umožňuje sledování dynamických změn v atmosféře. A právě to je největší předností geostacionárních družic oproti družicím polárním, které nám „nabídnou“ svá pozorování pouze tehdy, když přelétají nad územím, jež meteorology zajímá.
Kdo byl první?
Milníkem v historii družicové meteorologie je 1. duben 1960, kdy americká vládní agentura NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) vypustila družici TIROS-1 (Television Infrared Operational System). Tato družice se pohybovala nad povrchem Země po dráze přetínající polární oblasti a měla za úkol získávat globální meteorologická data pro výzkum. Družice nesla televizní kameru Vidicon se sadou čoček, která poskytovala obrázky ve viditelné části spektra záření s maximálním prostorovým rozlišením 3,8 km.
Úplně první myšlenky na využití geostacionární dráhy pro umístění umělých družic Země pocházejí z dvacátých let minulého století. V roce 1945 pak známý autor science-fiction Arthur C. Clark formuloval myšlenky na využití geostacionární dráhy pro telekomunikační družice a zmínil se též i o významu těchto satelitů pro nepřetržité sledování počasí.
První meteorologickou družicí na geostacionární dráze pak byl americký satelit americké NASA (Národní úřad pro letectví a kosmonautiku), a to družice ATS-1 (Applications Technology Satellite), která byla vypuštěna 7. prosince 1966. Družice byla schopna snímat disk Země každou půlhodinu, měla tedy schopnost vidět počasí ”v pohybu”, jak to známe například z televizních zpráv o počasí.
Evropu hlídá Meteosat
První evropskou meteorologickou družicí na geostacionární dráze se stal 23. listopadu 1977 Meteosat-1. V současné době je pro Evropu hlavní operativní družicí Meteosat-8, jenž je schopen snímat Evropu, Afriku, západní Asii, část Jižní Ameriky a většinu Atlantského oceánu.
Meteosat-8 nebo též MSG-1 (Meteosat Second Generation) byl na oběžnou dráhu vypuštěn 28. srpna 2002 a provoz jako družice zahájil 1. března 2004. Satelit snímá Zemi jednou za 15 minut ve dvanácti vlnových délkách – spektrálních kanálech. Měřícím zařízením je radiometr družice, který v jedenácti kanálech měří s rozlišovací schopností 3 km – přímo pod družicí, avšak v kanálu HRV (High Resolution Visible) je rozlišovací schopnost 1 km. V důsledku šikmějšího pohledu a větší vzdálenosti od družice je rozlišovací schopnost pro oblast střední Evropy přibližně 3 x 2 km pro kanál HRV a 6 x 4 km pro všechna ostatní pásma.
Přenos dat z družice se děje dvěma způsoby. Pomalejší slouží pro stanice chudších nebo méně náročných uživatelů, přičemž přenáší jen malou část dat pořízených družicí. Rychlejší přenos dat HRIT (High Rate Information Transmission) je vyhrazen pouze pro přenos měření radiometru družice, a to s využitím bezeztrátové komprese dat.
Za 100 minut kolem Země!
Druhou skupinou meteorologických operativních družic jsou družice na nízkých polárních dráhách, přičemž nejvýznamnějšími zástupci této skupiny jsou americké družice NOAA. Tyto satelity tedy snímají zemský povrch a atmosféru z mnohem menší vzdálenosti, než družice geostacionární. Nad zemským povrchem se pohybuje ve výškách v rozmezí 810 až 870 km, jejich oběžná dráha má vůči rovině zemského rovníku sklon 98 až 99 stupňů a jedno obkroužení Země jim trvá přibližně 100 minut, tedy dobu, za níž stačíte shlédnout jeden celovečerní film.
Vlastní dráhy polárních satelitů jsou heliosynchronní, což znamená, že přelétají určitou zeměpisnou šířku vždy ve stejném místním čase. Pokud je systém polárních družic kompletní, jsou vždy v provozu alespoň dvě, jejichž roviny oběžných drah svírají navzájem úhel 90 stupňů. Tím je docíleno snímání libovolného místa na Zemi nejméně 4x za 24 hodin.
Nejdůležitějšími přístroji na takové družici jsou radiometr AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) a komplex přístrojů TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder), jež poskytující informace o vertikálním profilu atmosféry nebo o celkovém množství některých meteorologických hodnot, například teploty nebo dnes tolik sledovaného množství ozonu.
Polární družice, podobně jako družice geostacionární, poskytují i obrovský balík dat o životním prostředí. Informace z těchto satelitů se kromě klasického použití v meteorologii využívají třeba ke klimatologickému výzkumu a předpovědím klimatu nebo k výzkumu dynamiky oceánů či sledování sopečných erupcí.
Satelity v Čechách
V České republice jsou data z meteorologických družic přijímána a zpracovávána v Družicovém oddělení Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) v Praze Libuši. Ve zdejší předpovědní službě se v současné době používají data z polárních satelitů NOAA-14, 15, 17 a 18.
Poslední z nich, družici NOAA-18, vynesena 20. května loňského roku na oběžnou dráhu raketa poskytnutá americkou NASA, přičemž první snímek Země, konkrétně nad Fairbanksem na Aljašce, pořídil radiometr AVHRR/3 této družice ještě téhož dne. Podobná data jako NOAA-18 poskytují i družice NOAA-15 a 17. Družice NOAA-14 je v Libuši přijímána pouze kvůli ozonovým měřením.
Současné polární družice řady NOAA snímají Zemi, pás území široký přibližně 3000 km, nepřetržitě v šesti spektrálních kanálech. Přitom geometrické rozlišení je pro oblast přímo pod družicí 1,1 x 1,1 km, v okrajích snímaného pásu asi 2,5 x 5 km.
Jak získat data?
Oproti geostacionárním družicím, které zdánlivě jakoby visí nad jedním místem povrchu Země, se družice polární vůči zemskému povrchu pohybují. Z toho vyplývá, že data z jejich radiometru v reálném čase je možné získat pouze tehdy, když je satelit přímo v „dohledu“ přijímací stanice. Třeba pro přijímací stanici ČHMÚ v Praze Libuši je tato oblast na východě ohraničena Uralem, na jihovýchodě oblastí Perského zálivu, na jihu centrální Saharou, na západě středem Atlantiku, na severozápadě Grónskem a na severu Špicberky. Délka nejdelšího možného přeletu trvá asi 15,5 minuty – čím je přelet západnější nebo východnější, tím je jeho délka kratší. Data jsou snímána a vysílána rychlostí 6 obrazových řádek za sekundu, každý řádek obsahuje 2048 obrazových bodů a v každém tomto bodu jsou data reprezentována jednotlivými přenášenými kanály. Tento typ digitálního přenosu měření radiometru družice se označuje HRPT (High Resolution Picture Transmission) a pro jejich příjem je zapotřebí naváděná parabolická anténa. Kromě digitálního přenosu HRPT existuje i analogový, nazývaný APT (Automatic Picture Transmission), jehož kvalita je však výrazně horší. Pro tento přenos postačuje dostatečně citlivá všesměrová anténa.
Také evropská organizace EUMETSAT (společenství 18 evropských států) plánuje vypuštění vlastních družic METOP (Meteorological Operational Polar Satellites of EUMETSAT) na polárních dráhách. První z nich by měla být vypuštěna v červnu 2006. Družice METOP mají doplnit americké polární družice NOAA a jejich přístrojová vybavení se budou do jisté míry schopna navzájem „domluvit“ (budou kompatibilní).
Hlídači tornád
Role operačních satelitů je v dnešní meteorologii naprosto nezastupitelná. Zejména tvorba velmi krátkodobých předpovědí počasí by v určitých situacích ani nebyla možná. Tak třeba na podzim a v zimě jsou noční můrou prognostiků, alespoň v naší středoevropské oblasti, předpovědi výskytu a vývoje nízkých inverzních oblačností a mlh. A právě díky informacím, zejména z geostacionárních družic, je dnes možné mapovat výskyt těchto jevů i v oblastech, ve kterých je nedostatek pozemních měřících stanic, Zatímco dříve tyto oblasti meteorolog označoval jako “Hic sunt Leones” („zde jsou lvi“), dnes je díky určité kombinaci spektrálních kanálů možné tyto jevy a jejich vývoj sledovat a “vyrábět“ zmíněné předpovědi.
Podobným problémem jsou, hlavně v teplém ročním půlroce, předpovědi výskytu a vývoje jevů souvisejících s prouděním v atmosféře, jako jsou přeháňky, bouřky apod. Při těchto situacích je velmi vhodné kombinovat satelitní informace s informacemi získanými ze sítě meteorologických radiolokátorů. Díky tomu lze pak spolehlivě určit nejen výskyt a vývoj srážkově významné kupovité oblačnosti, ale také třeba sílu těchto často nebezpečných jevů. Například silné bouře (tzv. supercely), které mají vytrvalý rotující vzestupný proud a jsou schopny vytvořit tornáda, se mohou na družicových snímcích projevit tzv. “overshooting tops”, tedy místy, kde jsou vzestupné pohyby vzduchu v rámci bouřkového mraku, cumulonimbu, tak intenzivní, že prorůstají tropopauzou (v mírných zeměpisných šířkách ve výšce kolem 11 km).
Ochrana před hurikánem
Stále významnější je i role družicových měření jako vstupních informací do numerických předpovědních modelů. Využívá se přitom zvláště jejich schopnosti získávat informace o vertikálním profilu a složení atmosféry, třeba teploty vzduchu nebo jeho vlhkosti. Dříve vstupovaly tyto informace do modelů jen z metod přímého měření meteorologickými stanicemi, dnes však tvoří satelitní data hlavní zdroj takových informací. Pro většinu numerických modelů jsou družicová měření nenahraditelná, hlavně v oblastech s nedostatkem kvalitních měření a pozorování, například nad oceány či v pouštích.
Nesmírně důležitou roli hrají meteorologické družice i při sledování a studium tropických cyklonů (neboli hurikánů či tajfunů). Žádným jiným způsobem nelze dělat tak dobře. Informace o nich poskytované jsou proto velmi cenné, zvláště při snaze o snižování škod a počtu obětí na lidských životech.
Více se dozvíte:
Martin Setvák, MSG – Meteosat druhé generace, Meteorologické zprávy, č. 1, 2004 + prezentace Meteosat druhé generace.
http://www.chmi.cz/meteo/sat
http://www.ncdc.noaa.gov/oa/satellite/satelliteresourcesabout.html
http://www.oso.noaa.gov/poes/index.htm
Meteorologický slovník výkladový a terminologický, MŽP ČR, 1993.
Co je to EUMETSAT?
Organizace EUMETSAT je mezinárodní institucí, jejímž hlavním posláním je vývoj a provoz evropských meteorologických družic. Sídlo a zároveň řídící středisko EUMETSATu je v německém Darmstadtu. Organizaci zakládalo 17 evropských států, které jej od počátku financovaly úměrně svému hrubému národnímu produktu. Česká republika nemá v této instituci plnohodnotné členství, ale je tzv. přidruženým ”spolupracujícím členským státem”. EUMETSAT zajišťuje provoz družic Meteosat, umístěných na geostacionární dráze a družic METOP, které budou vypouštěny na nízké polární dráhy od června 2006.
Válec nad Zemí
Meteosat-8 je geostacionární družice ve tvar válce, jenž je v prostoru stabilizován vlastní rotací. Rotace o rychlosti 100 obrátek za minutu je rovněž využita pro systém snímkování. Průměr družice je přibližně 3,2 m a její délka 2,4 m. Oproti předchozímu Meteosatu-7 se Meteosat-8 liší hlavně počtem spektrálních kanálů radiometru SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager), frekvencí snímkování a rozlišovací schopností radiometru. Předchozí Meteosat-7 pořídil za 24 hodin 48 snímků, každý z nich ve dvou nebo třech spektrálních pásmech. Meteosat-8 dokáže snímat Zemi až ve dvanácti spektrálních kanálech, vždy od jihu k severu, přičemž nasnímání celého disku trvá 12 minut, 3 minuty pak návrat přístrojů do výchozí polohy.
Družice ve stínu
V období kolem jarní a podzimní rovnodennosti se geostacionární družice dostávají na desítky minut do zemského stínu, tzv. období zatmění. Meteosaty první generace nebyly schopny překlenout toto zatmění pouze z palubních zdrojů a musely být proto pravidelně kolem půlnoci světového času vypínány. Meteosat-8 již tímto obdobím projde bez jakéhokoliv vypínání přístrojů.
Meteorologie na internetu
V České republice je centrem všeho dění kolem meteorologických družic pracoviště Družicového oddělení ČHMÚ v Praze Libuši, jehož vedoucím je RNDr. Martin Setvák, CSc. Zvláště díky němu dosáhla družicová meteorologie v ČHMÚ špičkové evropské úrovně. Některé produkty pocházející z dílny tohoto oddělení, které má současná prognózní služba ústavu k dispozici, si na internetových stránkách http://www.chmi.cz/meteo/sat mohou prohlédnout i laičtí zájemci o družicovou meteorologii.
