13. fejezet - Műholdas mérések

Tartalom

13.1. A Globális Megfigyelő Rendszer Űrbázisú Alrendszere
13.1.1. Az űr szegmens
13.1.2. A földi szegmens
13.2. Műholdak mérési-működési programja
13.2.1. Képfelvételek és a légkör vertikális szondázása
13.2.2. Adattovábbítás és közvetlen adatszolgáltatás
13.2.3. Adatgyűjtés
13.3. Műholdas megfigyelési technikák
13.4. A műholdak mozgása
13.5. A műholdak felépítése

A műholdak megjelenésével szinte egyidejűleg előtérbe került azok meteorológiai alkalmazása is. Az új technika megjelenése forradalmi áttörést jelentett a légköri megfigyelések terén. Mivel a műholdak segítségével egyszerre nagy területről szerezhető információ, az átfogó kép segítségével a nagyobb skálájú folyamatok is jól nyomon követhetők. A műholdak meteorológiai alkalmazása rendkívül széleskörű. Lehetővé teszik a szárazföld és az óceánfelszín, valamint a légkör különböző tartományainak vizsgálatát. Nyomon követhető az időjárási rendszerek, a felhőrendszerek mozgása, az ózonréteg változása, a légszennyező anyagok eloszlása, esetenként terjedése, vagy a sarkokat borító jégsapka olvadása. A műholdak aktív, vagy passzív távérzékelési módszerrel végeznek méréseket. Számos előnyük, ugyanakkor több korlátjuk, hátrányuk is van a felszíni, közvetlen mérésekkel szemben (13.1. táblázat).

13.1. táblázat: Műholdas mérések előnyei és hátrányai a felszíni mérésekkel összehasonlítva (WMO, 2008)

Műholdas mérések előnyei

Műholdas mérések hátrányai

Globális lefedettség, mérések nehezen megközelíthető helyeken, óceánok felett

A légköri, oceanográfiai, hidrológiai mennyiségek mérése közvetett (távérzékelési módszer) által történik, ami pontatlanabb, mint a közvetlen (in situ) mérések

Nagy tér- és időbeli felbontás

A pontbeli mérések pontatlanabbak. A műszer-kalibráció, és adatellenőrzés folyamatos felügyelet kíván

Széleskörű vizsgálati lehetőségek

Az új műszerek alkalmazása hosszú átfutási időt igényel

Kedvező ár/érték arány az adatok mennyiségét tekintve

A műholdak pályára állítása és a földi szegmens nagy költségigénye

Számos mennyiség egyidejű mérése

Egy érzékelő hibája teljes adatvesztést eredményezhet

A mérések biztosítottak veszélyes időjárási körülmények között is

Sűrű felhőzet (veszélyes időjárási helyzet) esetén a felszíni és alacsony-légköri mérések korlátozottak

Igény szerint mérések végezhetők teljes légoszlopra vonatkozóan

Rendkívül nagy mennyiségű adatot kell kezelni és feldolgozni és az adatgyűjtés módja nehezen módosítható.

A műholdak segítségével feltérképezhető az időjárási elemek eloszlása a vizsgált területeken. Ezáltal megszűnik a földi meteorológiai állomások közötti területeken fennálló bizonytalanság, a műholdak segítségével biztosított a meteorológiai mezők megfigyelése.

A műholdas megfigyelések előnye a földbázisú magaslégköri mérésekkel szemben az adatok homogenitása. A földi méréseknél a megfigyelési eszközök inhomogenitása bizonytalanságot eredményezhet (különösen a rádiószondás és a rakétás méréseknél), ezzel szemben a műholdas adatoknál csupán a műhold hőmérsékleti viszonyainak némi változása, illetve a légkör módosító szerepe igényel bizonyos korrekciót.

A műholdak további előnyei közé tartozik a gyors hozzáférhetőség. A megfigyelési adatok azonnal kisugárzásra kerülhetnek olyan formátumban, ami azonnali kiértékelést tesz lehetővé. Ezáltal az adatok kiértékelése mindössze percekre redukálódik.

13.1. A Globális Megfigyelő Rendszer Űrbázisú Alrendszere

A Meteorológiai célú műholdas méréseket a Meteorológiai Világszervezet Globális Megfigyelő rendszerén belül az Űrbázisú Alrendszer végzi. Az Űrbázisú Alrendszer űr szegmensből és földi szegmensből áll.

13.1.1. Az űr szegmens

Az űr szegmens különböző pályán keringő műholdakból áll (lásd még: 2.3.2. fejezet). A műholdakat keringési pályájuk alapján alapvetően két csoportba soroljuk, ezek a geostacionárius és kvázipoláris műholdak (13.2. táblázat).

13.2. táblázat: A kvázipoláris és geostacionárius műholdak jellemzői

Geostacionárius műholdak

Kvázipoláris műholdak

Keringési pálya

A pályasík az Egyenlítő síkjában fekszik. A műhold a Földdel együtt kering.

A pályasík mindkét pólus mellett áthalad. A Földet kb. 90-120 perc alatt kerülik meg.

Keringési magasság

35 800 km a tengerszint felett

600–1 500 km

Felbontási képesség

1–10 km

10–100 m

Vizsgált terület

Mindig ugyanazt a területet látja:

: (50°D, 50°É)

λ (λ0+50°, λ0–50°) ahol λ0 a műhold földrajzi hosszúsága, ezen a tartományon túl már torzul a kép a Föld görbülete miatt. Sarkvidéki területekről nincs információ.

Az egész Földet lepásztázza, de egyszerre csak egy kis területet „lát”. A sarkvidéki területeket is látja.

Mérési/működési program

- képfelvétel

- adattovábbítás

- adatgyűjtés

- képfelvételek

- vertikális szondázás

- közvetlen adatszolgáltatás

- adatgyűjtés

Műholdak a Meteorológiai Világszervezet Globális Megfigyelő Rendszerének Űrbázisú Alprogramjában

2013-ban 19 geostacionárius műhold (pl. NOAA, METEOSAT stb. kezelésében)

- operatív, alacsony pályán keringő műholdak (keringési magasság: 800–870 km)

- kutatás-fejlesztési műholdak

Az ún. geostacionárius műholdak az Egyenlítő fölött keringenek, ahol keringési idejük megegyezik a Föld forgási idejével. Ezek a műholdak a Földhöz képest állni látszanak, vagyis állandóan a Föld egy adott pontja felett tartózkodnak. Ilyen pálya csak az Egyenlítő síkjában lehetséges, mert csak itt esik egy egyenesbe a centripetális (Fcp) és a gravitációs (Fg) erő. A geostacionárius műholdak pályájának magassága (R) abból a feltételből számítható ki, hogy a Földével megegyező  szögsebességgel mozgó műholdra ható centripetális erőt a gravitációs tömegvonzás biztosítja:

,

(13-1)

ahol m a műhold tömege, γ a gravitációs állandó (6,67·10–11 N m2/kg2), M pedig a Föld tömege (5,98·1024 kg).

Az egyenletből kifejezve a R pályasugarat kapjuk, ahol R a műhold és a Föld tömegközéppontja közötti távolság:

,

(13-2)

vagyis 6370 km-es földsugárral számolva, a geostacionárius műholdak pályája a tengerszint felett nagyjából 35 800 km-es magasságban található.

A geostacionárius műholdak mindig ugyanazt a területet látják. Az adott földrajzi pont körül nagyjából ± 50 fok földrajzi szélesség, és ± 50 fok földrajzi hosszúság által határolt területet látják pontosan, azon túl a Föld görbülete miatt már torzul a megfigyelés.

A poláris vagy kvázipoláris műholdak általában a felszín felett 600–1500 km-rel ellipszis alakú pályán keringenek, pályájuk síkja pedig közel merőleges az Egyenlítőre. A Meteorológiai Világszervezet Globális Megfigyelő Rendszerének Űrbázisú Alprogramjában egyrészt operatív, alacsony pályán keringő műholdak, másrészt különböző speciális (pl. levegőkémiai, hidrológiai, oceanográfiai, felszínhasznosítási stb.) mérési programot végző kutatás-fejlesztési műholdak vesznek részt. Az operatív alacsony pályán keringő műholdak keringési magassága 800–870 km. A kutatás-fejlesztési műholdak elnyújtott ellipszis pályán keringenek, általában 600 és 1500 km-rel a felszín felett.

A kvázipoláris műholdak képesek a sarkkörökön túli területek megfigyelésére is. A Földet úgy tapogatják le, hogy miközben a keringési pályájuk síkja nem változik, a Föld elforog alattuk. Ezért egy kvázipoláris műhold minden kör megtétele közben más-más területet lát és naponta kétszer (egyszer felszálló, egyszer leszálló ágban) készít felvételt ugyanarról a területről. Mivel a földfelszínhez jóval közelebb keringenek, a geostacionárius műholdaknál jobb felbontású képeket készítenek.

A poláris műholdak képfelvételeket készítenek és vertikális szondázást végeznek a látható tartományban, az ún. infravörös ablakban, valamint mikrohullámú tartományban. A mérések alapján többek között meghatározható a légkörben lévő gázok koncentrációja és annak változása (pl. ózonkoncentráció változása a sztratoszférában), vagy a levegő hőmérséklete, vízgőztartalma különböző magasságokban. A műholdak nagy szerepet játszanak a tengerfelszín állapotának felmérésében is (lásd 11. fejezet).

13.1.2. A földi szegmens

A földi szegmens a műholdak által szolgáltatott adatok vételét és feldolgozását végző földi állomásokból áll. A feldolgozás során például mesterségesen színezik, és földrajzi azonosítókkal látják el a nyers műholdképeket.

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Földrajz-és Földtudományi Intézetének HRPT (High Resolution Picture Transmission) vevőállomását (13.1. ábra) 2002-ben telepítették az egyetem lágymányosi épületének tetejére (47,475 É, 19,062 K, kb. 40 méter magasan a felszín felett). Az antennával a NOAA-12, NOAA-14, NOAA-15, NOAA-16, NOAA-17, a Fengyun-1d, a Terra és az Aqua műholdak adatai vehetők – lásd: nimbus.elte.hu/kutatas/sat/index.html).

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem műholdvevő-állomása az egyetem lágymányosi épületének tetején

13.1. ábra: Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Földrajz-és Földtudományi Intézetének HRPT (High Resolution Picture Transmission) vevőállomása az egyetem lágymányosi épületének tetején