METEOROLÓGIAI MŰHOLDAK
Jelentőségük A földi mérőhálózat kiegészítői, nehezen megközelíthető területek, óceáni térségek légtereinek adatait mérik a Földfelszín min. 80%-a ide sorolható. Dinamikusan fejlődő ágazat,jelentősége egyre nő. Az űrbázisú alrendszer űr-szegmensét képviselik, kiegészülnek a vevő- és feldolgozó állomásokkal (földi szegmens).
A műholdak pályája Akkor tudnak pályán maradni, ha a keringési sebességből származó centrifugális erő éppen egyensúlyt tart a Föld tömegvonzásával. Tehát, a keringési idő és a keringési magasság kölcsönösen meghatározzák egymást. Pl. minél alacsonyabb a pálya, annál nagyobb keringési sebességre rövidebb keringési időre van szükség. (Túl alacsony a súrlódási hő miatt nem lehet a pálya.)
A műhold pályasíkja és az Egyenlítő síkja által bezárt szög az inklináció (δ). (Keleti irány felől mérjük.) Speciális esetben: 1. a műhold pályasíkja mindkét póluson áthalad (δ = 90 ) poláris pálya 2. a műhold pályasíkja az Egyenlítő síkjában fekszik (δ = 0 ) egyenlítői pálya. A pályasík, amennyiben külső erő nem hat rá, állandó marad.
Típusaik 1) Kvázipoláris pályán keringő (napszinkron) műholdak 2) Geoszinkron pályán keringő műholdak (egyenlítői pályán keringő geoszinkron mh-k) Mindkettő feladata: adatgyűjtés, -feldolgozás és -továbbítás; a két típus kiegészíti egymást.
Kvázipoláris műholdak Mi a valódi poláris pálya? A pályasík magában foglalja a Föld forgástengelyét, így ezek a műholdak minden keringés alkalmával áthaladnak a Föld mindkét pólusa fölött. A pályasík (abszolút koordináta-rendszerhez viszonyított állása) megadható: - a földi egyenlítő síkjához viszonyítva, - egy távoli csillag iránya alapján.
A Föld forgása miatt, a földi koordinátarendszerhez képest a műhold pályasíkja fokozatosan elfordul, és csillagnaponként (23h 56m) egy teljes körülfordulást végez. Így az Egyenlítő közelében levő ponton megfigyelt, helyi időben regisztrált poláris műhold áthaladásai naponta 4 perccel korábban következnek be. Oka: a Föld Nap körüli keringése miatt a Nap delelései a csillagidőhöz képest 4 perc/napot késnek.
Ha azt akarjuk, hogy a műholdpálya áthaladásai helyi időben mindig ugyanakkor történjenek, akkor a műholdpálya látszólagos elfordulását 4 perccel késleltetnünk kell (pl. az inklináció szögének napi 1 -kal, a Föld forgásával ellentétes irányban történő elforgatásával): ez már nem valódi poláris pálya lesz: kvázipoláris pálya Ez 800-1500 km-es magasságban, δ=100 során érhető el, meteorológiai szempontból a legelőnyösebb (retrográd napszinkron pálya) TIROS-N műhold h ~ 858 km, δ =99, t =102 perc
A pályasíkok eltolódása a Föld felszínén nyugati irányú, pl. a TIROS-N esetén 25 -kal (hosszúság: 2775 km). A TIROS I-et 1960. április 1-én lőtték fel első meteorológiai célú mh. -előbb kvázipoláris, később geoszinkron műholdak Megfigyeléseik: globális megfigyelések
Ezek a műholdak nemcsak közvetlenül maguk alatt képesek mérni, hanem szélesebb sávban pl. 1500 km magasságú pályán keringő műhold horizonttól horizontig terjedő sávot tud letapogatni radiométerei segítségével. Így az egymást követő pályák sávjai a pólusok felé haladva egyre növekvő mértékben átfedik egymást. Alacsonyabb szélességeken rések is előfordulhatnak.
Pl. NOAA-12, NOAA-14 üzemelnek jelenleg is, 100 perc alatt kerülik meg a Földet, naponta kétszer haladnak el (mindegyik) ugyanazon pont fölött, egy területről 4 képet készítenek.
Két fő mérőberendezésük: - Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) nagy felbontású sugárzásmérő egység, 5 hullámhossztartományban készít képeket: - látható tartomány (0,58-0,68µm) - közeli infravörös tartomány (0,725-1,1µm) - közeli infravörös tartomány (3,55-3,93µm) - távoli infravörös tartomány (10,3-11,3µm) - távoli infravörös tartomány (11,5-12,5µm) Képfelbontás: 1,1 1,1 km a műhold alatti pontban (jobb, mint a METEOSAT-képeké, viszont ritkábban állnak rendelkezésre. - TIROS-N Operational Vertical Sounder (TOVS) vertikális szondázó egység, 3 műszerből áll: - High Resolution Infrared Radiation Sounder (HRIRS): 17,4 km vízszintes felbontású, 20 csatornás, - Microwave Sounding Unit (MSU): 109,3 km felb., 4 csat. - Stratospheric Sounding Unit (SSU): 147,3 km felb., 3 csat.
Mérési programjaik Felhőzet megfigyelése Vertikális szondázás Közvetlen real-time adatszolgáltatás Adatgyűjtés
Felhőképek felvétele -Afelhőzetről, illetve a földfelszínről visszaverődő és kiinduló sugárzások különbségének érzékelésével történhet; a látható fény sávjában (napsugárzás visszaverődése albedó), ill. az infravörös sugárzások sávjában. -Korábban TV-kamerát használtak, olyan felvételsűrűséggel, hogy legyen átfedés. Ma letapogatásos (scanning) technika használatos: sugárzásmérő teleszkóppal (távcsővel), mely a műholdpályára merőlegesen forogva-ingázva széles tartományt lát. - A képfelvevő egységének felbontó képessége: a két tartományban közepes (4 km) és nagy felbontású (1 km) képeket állítanak elő nagytérségi felhőrendszerek áttekintésére, tengeri jég, gleccserek mozgásainak, hótakaró és belvizek kiterjedésének megfigyelésére.
Vertikális szondázás A hőmérséklet vertikális profilját lehet meghatározni; A szén-dioxid és a vízgőz néhány infravörös elnyelési sávjában, ill. az oxigén és a vízgőz néhány mikrohullámú elnyelési sávjában dolgoznak; Ún. inverziós eljárással (sugárzásmérésen alapuló módszer, ill. azon, hogy a szén-dioxid vertikális csökkenése a légsűrűség változásával arányos. adott elnyelési csatornákban mért intenzitások eloszlása jellemző az adott réteg léghőmérsékletére; szét kell választani a légkör különböző rétegeinek összintenzitását (spektrumokra bontva) a földi mérések alapján ismernünk kell a szondázás helyén a felszíni légnyomást, így a hőmérsékleti profilból vertikális légnyomási profil is megadható)
Közvetlen real-time adatszolgáltatás a földi állomások számára: folyamatos sugárzás 136-137MHz-es sávban, ill. 1691-1695 MHz-en (Ssáv). A képek továbbítása: közepes felbontású: APT (Automatic Picture Transmission) technológia nagyfelbontású: HRPT (High Resolution Picture Transmission) technológia A vertikális szondázás adatainak továbbítása: DSB (Direct Sounding Broadcast) rendszerben Adatgyűjtés olyan mérőplatformokról, melyek nem képesek saját pozíciójukat érzékelni (pl. sodródó bóják)
Geoszinkron műholdak az időjárás időben történő folytonos követésére, Mindig ugyanazon helyről gyűjtenek adatokat, 30 percenként szolgáltatnak adatokat. Az Egyenlítő feletti 5 műhold 70 hosszúsági fokra van egymástól, a pólusok és környékük kivételével lefedik az egész Földet. Kb. 35800 km-es magasságban keringenek itt az egyensúlyi szögsebesség megegyezik a Föld forgásának szögsebességével. Az ilyen magasságú stabil pályán, az Egyenlítő síkjában keringő műhold azon sugár mentén helyezkedik el, mely a Föld középpontjából kiindulva halad át az Egyenlítő adott pontján (állandóan egy pont felett látszik lebegni).
Fontosságuk: nagy távolságuk miatt nagy területeket fednek le. Pl. METEOSAT (Guineaiöböl fölött). Ezek kb. 50 fr-i foknak megfelelő sugarú körön belül szolgáltatnak jó minőségű képet. Elvileg 4, a gyakorlatban 5 ilyen műhold lefedi a teljes forró övezetet és a mérsékelt öv jelentős részét is. Atlanti-európai térségről a METEOSAT készíti a képeket. Az Egyenlítő és a 0hosszúsági kör metszéspontja fölött helyezkedik el. 1995 óta az EUMETSAT-nak fizetni kell az adatokért (digitális képek), Mo. 3 óránként jut hozzájuk. Az analóg képek félóránként elérhetők, ezekből kvázidigitális képeket készítenek.
A METEOSAT 3 hullámhosszban készít képeket: - látható tartományban (0,4-1,1µm) - infravörös tartomány (10,5-12,5µm) -a vízgőz elnyelési tartományában (5,7-7,1µm). A felbontás a látható fény tartományában a legjobb (2,5 2,5 km a műhold alatt, hazánk térségében 3 3,75 km; másutt 5 5 km, ill. 6 7,5km). Az infravörös tartományban derült időben mért adatokból a talajfelszín sugárzási hőmérséklet származtatható (fagy-előrejelzés miatt fontos), zárt felhőzetnél a felhőtető hőmérséklete mérhető.
Mérési programjuk Képek felvétele Adattovábbítás Adatgyűjtés Adatszolgáltatás
Képek felvétele Spin/scan radiométerekkel vannak felszerelve: a szerkezet a radiométer távcsövével együtt körben forog a Föld tengelyével párhuzamos tengely körül, a távcső szögállása az Egyenlítő síkjához képest minden körülfordulásnál lépésszerűen változik. A képek felbontása a látható fény tartományában 1-2,5 km, az infravörös sávban 5-7 km.
Adattovábbítás Nagykiépítésű, speciálisan felszerelt földi vevőállomásokra van szükség, nagyteljesítményű számítógépekkel. Az adatok előfeldolgozása fedélzeti számítógépekkel történik APT technológiával. Szokás, hogy a nagyobb nemzetközi központokban kidolgozott analíziseket és előrejelzési térképeket a geoszinkron műholdak veszik és APT-formátumban kisugározzák a kisebb felhasználók számára.
Adatgyűjtés Különböző földfelszíni mérő- és adatgyűjtő platformok (automata állomások, bóják, úszó ballonok, hajók, repülők) adatait veszik és továbbítják a kijelölt adatfeldolgozó központok számára. Adatszolgáltatás: - digitális számformátum - analóg képformátum (főleg felhőmozgás)
Az OMSZ-nál METEOSAT (geoszinkron) analóg és digitális, és NOAA (kvázipoláris) digitális adásainak vétele, 1992-től rendszeresen veszik, feldolgozzák. Ezeken kívül számos más meteorológiai műhold kering, kvázipolárisok TEOR, DMSP, ERS), geoszinkron (GOES, GMS). Ezekkel lehetőség van a csapadék mennyiségének becslésére, a hó és jég detektálására, a talajnedvesség becslésére, a tengerfelszín közelében fújó szél meghatározására, stb.
A földi szegmens Sokféle létesítmény (felbocsátó és irányító állomások, központi adatfeldolgozó állomások, felhasználó állomások, stb.) rendszere. - A műholdakat üzemeltető országok központi állomásai - A felhasználók vevő állomásai - VHF-vevőállomások, - S-sávban működő mérőállomások, - Műholdaknak jelentő földi mérőplatformok
VHF-vevőállomások 136-138 MHz közötti frekvencián dolgoznak; csak kvázipoláris műholdak adatainak vételére alkalmasak (pl. APT-képek, szondázási adatok fázismodulációval) S-sávban működő vevőállomások kvázipoláris műholdak HRPT-képeinek, vertikális szondázási adatok, geoszinkron műholdak által sugárzott analóg és digitális információk vételére képes speciális vevőállomások.
Műholdaknak jelentő földi mérőplatformok Automatikus vagy félautomatikus, in situ mérésre alkalmas eszközök, melyek adataikat műholdak útján továbbítják a megfelelő központok számára. Lehet saját mérőprogram alapján, meghatározott időközönként sugárzó, ill. lehívható mérőplatform. 401 MHz körüli sávban mérnek. Ellátnak riasztó szolgálatot is.