ESA – 3. díl – Konečně spolehlivá předpověď počasí

S otevřením bran kosmického prostoru se lidstvu, kromě vědeckého využití, naskytly i jiné možnosti. Možnosti, které měly přímý vliv na obyčejné lidi. Počasí je významnou silou ovlivňující náš každodenní život, cestování, práci jakož i globální ekonomiku. Díky vlivu Slunce je atmosféra dynamickou oblastí vystavující nás různým teplotám, tlakům, povětrnostním podmínkám či srážkám. Počasí se neustále mění, takže přesné prognózy se staly nezbytnými pro efektivní zemědělství, průmysl i dopravu. Předpověď počasí navíc může zachraňovat životy a peníze díky varováním před extrémními bouřemi, povodněmi či jinými katastrofami. Pojďme se tedy podívat na vznik evropské satelitní meteorologie, první meteorologické družice a jejich následovníky.

Pojem meteorologie pochází už ze 4. století př. Kr., kdy se pojmem „meteora“ rozuměly všechny věci ve vzduchu. Nejstarším meteorologickým pojednáním je Aristotelova Meteorologova. Předpovídání počasí lidstvo zajímalo už dávno. Bylo esenciální nejen pro zemědělství, ale své uplatnění našlo i při plánování válečných bitev, nebo v mořeplavectví. První skutečné, vědecké předpovědi počasí se však začaly uskutečňovat až s příchodem barometru v polovině 17. století. Postupně meteorologové nacházeli stále více souvislostí mezi atmosférickými jevy a začali je využívat k predikci počasí. Od systematického pozorování, přes sestavování povětrnostních map a tvorbu matematických modelů se meteorologové dopracovali až k používání meteorologických balónů. Skutečný převrat však nastal jak jinak než s příchodem kosmického věku.

Jedním z hlavních důvodů vývoje meteorologických družic byla touha evropských meteorologů přispět ke Světové meteorologické organizaci, především k první fázi jejího programu GARP (Global Atmospheric Research Programme, Globální program atmosférického výzkumu). Tento program měl za cíl spojit zdroje všech zúčastněných zemí tak, aby získaná data mohla být použita k vytvoření adekvátních numerických modelů globální cirkulace atmosféry. Americká agentura NASA měla začátkem sedmdesátých let rozpracovaný plán na zavedení koordinovaného globálního systému meteorologických družic. Tento plán zahrnoval dvě až tři družice na polární dráze, kterými měly být americká Tiros-N a sovětský Meteor. A dále čtyři velké (cca 300 kg) geostacionární družice – dvě z nich měly být americké SMS (Synchronous Meteorological Satellites) nové generace, třetí plánovalo Japonsko a čtvrtá byla vyhrazena pro Evropu.

Zatímco vědecký zájem evropské účasti na programu GARP byl zřejmý, politická situace byla komplikovanější z důvodu zájmu dvou agentur na vypuštění meteorologických družic. Na prvním místě to byla francouzská CNES, která navrhovala satelit Meteosat, který měl obíhat na geostacionární dráze mezi délkami 10° až 30° východní délky. Meteosat byl plánován jako francouzský příspěvek ke globálnímu systému, který připravovala NASA. Tento záměr byl motivován politicky, jelikož si francouzská vláda přála hrát významnou roli v poskytování meteorologických údajů ve svých tradičních sférách vlivu, kterými byly severní a střední Afrika. Druhý, paralelní vývoj prováděla malá skupinka inženýrů ESRO. Jejich původní návrhy polárních družic však nebyly příliš vhodné pro program GARP a tak byl návrh přepracován na družice geostacionární. Prezident CNES a ředitel Francouzské meteorologické služby si uvědomovali, že evropské vlády nebudou podporovat dva takto podobné projekty. Společně tedy napsali silně formulovaný dopis generálnímu řediteli ESRO Hermanu Bondimu, ve kterém vyjádřili svůj „šok“ a „zklamání“ ze směřování programu navrhovaného ESRO. V dopise bylo také vyhrožováno, aby ředitel „zvážil všechny důsledky svého jednání“. Nicméně žádná výhružka nezískala reálných rozměrů. Francouzská vláda se nakonec rozhodla svůj projekt Meteosat poevropštit. Inženýři CNES byly „traumatizováni“, jak uvedl jeden z jejich řad, ale nemohli udělat nic s politickým rozhodnutím, které upřednostnilo společný evropských podnik na úkor toho národního.

První evropské těleso na geostacionární dráze - meteorologický satelit Meteosat-1.

První evropské těleso na geostacionární dráze – meteorologický satelit Meteosat-1.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

V listopadu 1977 Meteosat-1 odstartoval z Kennedyho mysu na špici rakety Delta (2914) a byl úspěšně naveden na GTO. Po umístění na orbitu ve výšce necelých 36 km přesně nad nultým poledníkem se tak stal první evropskou geostacionární družicí. Jeho plánovaná životnost byla tři roky. Po dvou letech však kvůli závadě rezistoru selhal radiometr a tak Meteosat-1 nemohl nadále pořizovat žádné snímky. I přes nesplněný tříletý závazek však odeslal na Zemi přes 40 000 fotografií (48 denně). Navíc nadále pokračoval ve sběru dat a to až do konce roku 1984, kdy mu došel hydrazin a tudíž nemohl nadále udržovat svou stabilní polohu.

S tím, jak Meteosat-1 pracoval úspěšně, začali meteorologové uskutečňovat kroky k vytvoření vlastní organizace. Nikdo totiž nepochyboval o obrovských přínosech meteorologických družic pro předpověď počasí, ale i zemědělství a rybolov. Ve vzduchu však opět visely institucionální a politické problémy. Evropské vlády se už staly opatrnými při vytváření nových mezinárodních organizací, které se časem vždy příliš rozrostly a prodražily. Byly připraveny vytvořit novou agenturu s vlastní právní subjektivitou, ale trvaly na tom, že struktura zůstane průhledná a počty malé. To znamenalo, že nová organizace by musela svěřit vývoj a provoz vesmírných i pozemních segmentů systému jiné, již existující agentuře. ESA byla jasným kandidátem na tento post a tak nic nebránilo vytvoření nové, čistě meteorologické organizace zvané Eumetsat (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, Evropská organizace pro využívání meteorologických satelitů). Zástupci šestnácti vlád v roce 1984 podepsali úmluvu o vytvoření Eumetsatu, která vešla v platnost v červnu 1986. Už od podepsání této úmluvy však byl Eumetsat vyčleněn jako samostatná sekce v podřízenosti ESA za účelem přípravy na rychlejší osamostatnění. Celkovou odpovědnost za systém Meteosat pak organizace převzala v lednu 1987.

Operační centrum Eumetsatu, Darmstadt, Německo.

Operační centrum Eumetsatu, Darmstadt, Německo.
Zdroj: http://portal.chmi.cz/

V současnosti je tato organizace tvořena dvaceti šesti státy (mezi nimi i Českou republikou, která se stala členem v roce 2010) a dalších pět států se na spolupráci částečně podílí. Toto přidružené členství umožňuje získávat data od Eumetsatu při nižších členských příspěvcích. Tyto státy ale nemají práva rozhodovat. Přidružené členství je předpokládáno pouze na přechodnou dobu (3 – 5 let) a poté by se spolupracující státy měly stát právoplatnými členy. Zástupce meteorologické služby každého členského státu je členem rady, která je nejvyšším orgánem organizace. Nejvyšší autoritou je potom generální ředitel, v současnosti Francouz Alain Ratier. Centrála se přitom nachází v Darmstadtu, stejně jako operační centrum ESA. Hlavním úkolem Eumetsatu je kontrola sítě meteorologických družic a nepřetržitý sběr jimi poskytnutých dat, která jsou následně poskytována národním i mezinárodním meteorologickým službám po celém světě.

Zpět ale k samotnému Meteosatu. Dalším kouskem na oběžné dráze byl Meteosat-2 vypuštěný v červnu 1981. Po dvaceti měsících tak navázal na práci svého předchůdce a byl rovněž umístěn nad nultým poledníkem na GEO. Tentokrát jej už nevynesla žádná americká raketa, ale konečně se ke slovu dostala nová Ariane 1, která startovala z Kourou. Metosat-2 úspěšně monitoroval atmosféru, vodstvo i pevniny přesahující několikrát svou životnost. Když mu ale docházelo palivo, byla v roce 1991 jeho oběžná dráha zvýšena, aby nepřekážel svým nástupcům a jeho přístroje byly vypnuty. Výsledkem jeho práce bylo, kromě jiného, 284 000 snímků. V roce 1988 už měl ale dalšího spolupracovníka. Tím byl Meteosat-3, který byl posledním z trojice plánovaných prototypů. Třetí Meteosat v řadě byl neméně úspěšný a dokonce byl na nějakou dobu „zapůjčen“ Spojeným státům, aby z 50° západní délky monitoroval východní část jejich území a vypomohl tak během problémů s americkým systémem GOES. Vypuštěním Meteosatu-4 v roce 1989 přešel Eumetsat do operativní činnosti v rámci programu MOP (Meteosat Operational Programme). Modernizovaná čtyřka se tak stala základní operativní družicí, zatímco trojka, se svou dvanáct let starou konstrukcí, byla ponechána v záloze. A přestože rušení způsobené zdrojem el. energie způsobovalo proužky v získávaných fotografiích, zůstal Meteosat-4 ve službě až do února 1994, kdy jej nahradil Meteosat-5. Předposledním z první generace evropských meteorologických satelitů byl Meteosat-6. Sedmý satelit v pořadí pak už byl jakýmsi přechodem mezi první a druhou generací. Byl vypuštěn v roce 1997, ale jeho počátky sahaly do roku 1991, kdy byl započat program MTP (Meteosat Transition Programme), který měl za úkol přejít k vývoji Meteosatů druhé generace.

Konstrukce první generace Meteosatu. Radiometr MVIRI je černý hřibovitý přístroj uprostřed.

Konstrukce první generace Meteosatu. Radiometr MVIRI je černý hřibovitý přístroj uprostřed.
Zdroj: http://www.eumetsat.int

Družice první generace, Meteosaty 1 až 7, byly vybaveny několika přístroji. Se svými necelými 63 kg a celkovou výškou 1,35 m byl dominantním přístrojem MVIRI (Meteosat Visible and InfraRed Imager). Jednalo se o radiometr s vysokým rozlišením, který dokázal snímat tři oblasti elektromagnetického spektra. Viditelné spektrum o vlnové délce 0,45 až 1 µm detekoval pomocí křemíkových fotodiod a toto snímkování probíhalo za denního světla. Snímání infračervené část spektra o vlnové délce 5,7 až 7,1 µm bylo realizováno pomocí detektoru HgCdTe (slitina rtuti, kadmia a technecia). Toto snímání probíhalo jak ve dne, tak v noci a používalo se ke zjištění teplot oblaků a oceánů. A poslední, třetí oblast spektra v rozsahu 10,5 až 12,5 µm se týkala snímání absorpce vodních par, k jejíž detekci byl využíván stejný detektor, jako pro IR spektrum. Šlo zejména určování množství vodních par v horní části troposféry.

K tomu, aby Meteosat zobrazil snímek celého zemského disku, bylo zapotřebí uskutečnit sérii snímků, jež byly pořizovány systematicky. Nejdříve snímal pruhy Země o šířce 5 km od východu k západu. Poté prováděl posun v severojižním směru tak, že směřoval zrcadla po krocích a postupně tak docílil souhrnného snímku, který měl 2500 řádků o 2500 jednotlivých snímcích. To se však týkalo pouze infračervené části spektra a absorpce vodních par. Viditelná část spektra měla řádků i jednotlivých snímků v nich dvakrát tolik, tedy 5000 x 5000. Doba samotného snímkování zabrala 25 minut, poté byla zrcadla dvě a půl minuty nastavována do původní polohy a zároveň probíhala kalibrace detektorů. Další dvě a půl minuty trvala konečná stabilizace, po niž následovala nová série snímkování. Celkem tak trvalo pořízení snímků ve všech třech oblastech 30 minut. Toto záření bylo získáváno pomocí reflektoru s primárním zrcadlem o průměru 400 mm. Pokud si představíme, že podélná osa satelitu, kolem které rotoval rychlostí 100 rpm, byla rovnoběžná se zemskou rotační osou, můžeme si jednoduše představit, jak probíhalo samotné snímkování. Satelit během rotace pořizoval snímky zleva doprava, tedy z východu na západ, a jakmile měl jeden řádek hotový, stačilo přesměrovat zrcadla a mohlo začít snímkování o řádek výš, či níž. Celý proces jednoduše zobrazuje následující video.

Průměr válcovitého Meteosatu byl 2,1 m a výška 3,2 m. Počáteční hmotnost při vypuštění čítala 282 kg, z toho 40 kg připadalo na hydrazin, který sloužil jako palivo pro udržování stabilní dráhy. K tomu, aby se Meteosat dostal z vysoce eliptické GTO na dráhu geostacionární, byl vybaven raketovým motorem na tuhé pohonné látky. Ten byl po dosažení kruhové dráhy odhozen a uvolnil tak prostor radiátoru, který chladil radiometr a IR detektor.

První generace Meteosatů je příkladem velmi úspěšného evropského úsilí. První návrhy byly představeny počátkem sedmdesátých let. První model byl vypuštěn v roce 1977 a kromě malých změn po prvních třech prototypech byl jeho design používán až do konce roku 2005. V současnosti už je v provozu pouze poslední člen první generace – Metosat-7, který je umístěn na 57° východní délky nad Indickým oceánem.

Současné Meteosaty, které nám poskytují data pro předpověď počasí, jsou již druhou generací a oproti svým předchůdcům disponují novými přístroji a mnoha vylepšeními. Oproti první generaci se také věnují monitoringu globálního klimatu a s ním souvisejících oblastí. Na druhé generaci se začalo pracovat v roce 1991 a Meteosat-8, který je také nazýván MSG-1 (Meteosat Second Generation), se dostal na oběžnou dráhu v roce 2002, kdy jej vynesla raketa Ariane-5.

V porovnání se svými předchůdci dokážou satelity MSG, tedy Meteosaty druhé generace, získat dvacetkrát více informací za poloviční čas. Jejich pokrytí se už netýká třech spektrálních pásem, nýbrž dvanácti! V mnohém jsou však MSG první generaci podobné. Mají stejný, válcovitý tvar a jsou stabilizovány rotací v podélné ose rychlostí 100 rpm. Velikost je už ale odlišná. Průměr tělesa je 3,2 m a na výšku měří 2,4 m. S tím souvisí i naprosto odlišná hmotnost, která činí 2035 kg, z čehož připadá 970 kg na pohonné látky a 270 kg na hlavní přístroj SEVIRI, který tedy vážil stejně jako celý Meteosat první generace! O dodávku elektrické energie se starají solární panely umístěné na plášti, jejichž celkový výkon je 720 wattů.

Radiometr SEVIRI během přípravy v clean roomu.

Radiometr SEVIRI během přípravy v clean roomu.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

Hlavním přístrojem MSG je SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager), který nahradil přístroj MVIRI. SEVIRI snímá Zemi ve dvanácti kanálech, jak už jsem napsal výše. To poskytuje přesnější údaje o atmosférických podmínkách a s tím související lepší výchozí podmínky numerických modelů pro předpovědi počasí. Osm těchto úzko-pásmových kanálů je v termální infračervené oblasti, tři ve viditelné oblasti a poslední, jediný širokopásmový je ve viditelné oblasti s vysokým rozlišením (HRV – High Resolution Visible). Na těchto různých vlnových délkách je pozorována teplota oblaků, oceánů i pevnin, ozón, vodní páry, oxid uhličitý a další. Detekční čidla jsou polovodičová, v ohniskové rovině jsou umístěna po třech a snímají tedy tři řádky najednou. Jediný HRV kanál disponuje devíti čidly. Infračervené detektory jsou chlazeny na teplotu -178 °C a ostatní na 20 °C. Princip skenování Země je stejný jako u předchozí generace. Rychlost rotace je také stejná, ale díky většímu počtu snímaných řádků je celý skenovací cyklus dokončen za 15 minut oproti 30. Rozlišení výsledných snímků je 3712 × 3712 pixelů pro úzkopásmové kanály a 5568 × 11136 pixelů pro širokopásmový HRV.

Kvalitní snímky přístroje SEVIRI mají také mnoho dalších využití týkajících se vědy a životního prostředí. Tyto aplikace zahrnují monitorování stavu vegetace, identifikaci ohnisek lesních požárů nebo třeba sledování písečných bouří na Sahaře. V minulosti byly snímky využity k varování před vulkanickými erupcemi na Sicílii.

Druhým důležitým přístrojem na palubě MSG je GERB (Geostationary Earth Radiation Budget) postavený a provozovaný Ruthefordovou a Appletonovou laboratoří poblíž Oxfordu, který se zajímá o celkové zemské klima. Měřením zemské radiační rovnováhy hledá jak každodenní změny, tak i dlouhodobé trendy. Jelikož je umístěn na daleko vyšší oběžné dráze, než podobné přístroje, poskytuje klimatologům měření zdrojů cirkulace atmosféry a umožňuje jim posoudit, zda se Země jako celek doopravdy otepluje.

Plánovaná životnost Meteosatů druhé generace je 7 let. Jeden z nich je vždy umístěn na nultém poledníku a druhý, starší pracuje jen o několik stupňů východněji jako záloha. Nyní jsou na orbitě Meteosaty 8, 9 a 10 a jedenáctka by se k nim měla připojit příští rok. Plánovaný provoz MSG je do roku 2018, kdy by měly být nahrazeny třetí generací.

Plánovaný Meteosat třetí generace.

Plánovaný Meteosat třetí generace.
Zdroj: space.skyrocket.d

V současnosti se organizace ESA a Eumetsat pomalu připravují na zavedení dalšího evropského meteorologického operačního systému v podobě Meteosatu třetí generace (MTG – Meteosat Third Generation). MTG slibuje revoluční předpovídání počasí a monitorování životního prostředí po dobu následujících dvaceti let od svého zavedení mezi lety 2018 až 2020. Tato třetí série bude zahrnovat čtyři snímkovací satelity MTG-I (Imagery) a dva sondážní satelity MTG-S (Sounding). Tento nový prvek nesoucí přístroj Sentinel-4 umožní Meteosatům vůbec poprvé kromě samotného snímkování také analýzu atmosféry vrstvu po vrstvě a poskytne tak hlubší pohled do jejího složitého chemického složení.  Nové MTG satelity již budou stabilizovány ve všech třech osách, díky čemuž zůstanou jejich přístroje zaměřeny na Zemi 100 % času a umožní tak vyšší pracovaní nasazení oproti stabilizaci rotací. Také počet snímaných vlnových délek se rozšíří ze 12 na 16.

Družice na geostacionární dráze mají perfektní přehled nad rovníkovými oblastmi, ale se zvětšující se zeměpisnou šířkou jejich schopnosti klesají. Polární oblasti tak nevidí shora, nýbrž z boku. Proto byl v roce 2006 vypuštěn Metop-A – první evropský meteorologický satelit na polární dráze, který funguje jako doplněk MSG. Jeho dráha má sklon 99° a nachází se ve výšce 840 km. Posun dráhy mezi dvěma sousedními oblety tak na rovníku činí přibližně 25,5° k západu. Dráha je heliosynchronní, což znamená, že družice přelétá určitou zeměpisnou šířku vždy ve stejném místním čase. Hlavním přístrojem družice Metop je radiometr AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), který je používán také americkými meteorologickými satelity NOAA. V roce 2012 se pak tato řada satelitů rozrostla o druhého člena – Metop-B. Třetí a poslední Metop-C odstartuje v roce 2016. Díky družicím Metop tak ESA, respektive Eumetsat dokáže poskytnout data z celé zeměkoule jak pro meteorology tak klimatology.

Příběh úspěchu satelitní meteorologie v Evropě je úzce spojen se dvěma organizacemi. První je Eumetsat, který se za dvě desetiletí stal přední světovou organizací poskytující data o počasí a životním prostředí. Druhou, nedílnou součástí je Evropská kosmická agentura. Odborný výzkum ESA byl klíčový pro koncepci a vývoj prvního Meteosatu počátkem sedmdesátých let. ESA byla také řídící silou stojící za vznikem samotného Eumetsatu. Během pětadvaceti let se vztah mezi těmito dvěma organizacemi vyvinul a ESA je v současnosti nejdůležitějším spolupracujícím partnerem a zprostředkovatelem.

Kontinuální, vysoce spolehlivé a kvalitní snímky poskytované Meteosaty pomáhají zlepšovat a chránit životy nejen evropských občanů už více než 35 let. Pomáhají meteorologům při identifikaci a sledování vývoje potenciálně nebezpečných povětrnostních podmínek, a vydávání včasných varování a předpovědí tísňovým službám a místním orgánům, čímž pomáhají zmírnit následky nezmarů počasí a ochránit tak mnohé životy i majetek. Informace a služby poskytované Eumetsatem se staly nepostradatelnými pro bezpečnost letecké, lodní i silniční dopravy, zemědělství, stavebnictví i mnoho dalších odvětví.

Zdroje informací:
http://www.eumetsat.int/
http://www.esa.int/
http://portal.chmi.cz/
http://www.meteocentrum.cz/

Zdroje obrázků:
http://prognoza.hr/web_fronte_sutra12.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/METEOSAT.gif
http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/sat/info/images/headquarters.jpg
http://www.eumetsat.int/groups/ops/documents/image/meteosat_1_diagram.gif
http://spaceinimages.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2000/10/msg_seviri_imager/9217735-5-eng-GB/MSG_SEVIRI_imager_node_full_image.jpg
http://spaceinimages.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2005/05/a_dust_storm_as_seen_by_msg-1/10002568-3-eng-GB/A_dust_storm_as_seen_by_MSG-1_node_full_image.gif
http://space.skyrocket.de/img_sat/mtg-i__1.jpg

 

ESA - 3. díl - Konečně spolehlivá předpověď počasí, 2.5 out of 5 based on 29 ratings
Pin It
(Visited 945 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (29 votes cast)
(Visited 945 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


3 komentáře ke článku “ESA – 3. díl – Konečně spolehlivá předpověď počasí”

  1. dd napsal:

    pěkný článek

  2. kopapaka napsal:

    Pěkné.
    Hned jsem si vzpomněl na jeden vtípek…

    http://umsle.peklo.biz/img/1413881805.jpg

Zanechte komentář