Družicová meteorológia

DRUŽICOVÁ METEOROLÓGIA

1 Meteorologické družice
2 Veličiny merané meteorologickými družicami
3 Analýza výstupov meteorologických družíc

Autor: Bc. Tomáš Brutovský


1 Meteorologické družice


    Po 1. svetovej vojne sa meteorológia dostáva k rozboru počasia a predpovediam na úroveň, keď už nejde iba o odhad počasia s malou pravdepodobnosťou. Je zavedený nový pojem front, a meteorológia sa stáva dôležitá pre rozvíjajúce sa odvetvie - letecká poveternostná služba. Meteorológia sa tak stáva veľmi užitočná veda najmä pre letectvo a prestáva byť len akýmsi nákladným vedeckým koníčkom. Stala sa z nej služba, pretože pre leteckú dopravu je nutnosť mať k dispozícii presnú a okamžitú predpoveď počasia. Ustálené pozorovania a hlásenia o počasí sa menia a unifikujú sa predpisy pozorovania a aj formy hlásení. V Československej republike vznikol vtedy Štátny ústav meteorologický a znamenalo to od základov vytvoriť sieť pozorovacích staníc, ktoré počas vojny utrpeli škody.
    Najväčší rozvoj zaznamenalo však meteorologické zabezpečovanie civilného letectva. Od roku 1922 letecká meteorologická služba vybudovala vlastnú monitorovaciu sieť staníc. Tie boli umiestnené pozdĺž letových trás. Pred štartom lietadla sa vykonávalo pozorovanie, správy sa potom posielali do Prahy. Odtiaľ boli potom poskytované priamo posádkam lietadiel. Letecké meteorologické predpovede boli zavedené až v roku 1927. Slúžili na informovanie posádok počas letu o zmene počasia. Posádky tak dostávali informácie o počasí priamo pre danú trasu a na dobu letu.
    Počas 2. svetovej vojny bola meteorológia využívaná najmä pri bojových operáciách a z vojny vychádzala opäť premenená. Bola založená Svetová meteorologická organizácia WMO a Československo podpísalo jej konvenciu v roku 1947 ako 17. štát. Táto organizácia garantovala medzinárodnej spolupráce meteorologických služieb celého sveta, unifikáciu pozorovaní, automatizáciu meraní a prenosu spracovaných údajov o počasí. Začala sa rýchlo rozvíjať výpočtová technika, využívali sa čoraz zložitejšie modely atmosféry. Predpovede od skúsených meteorológov sa dali porovnať s predpoveďami zostavenými na matematickom základe. Pre presné predpovede počasia sa začali využívať informácie z umelých družíc Zeme. Družice zaznamenávali vznik tropických cyklónov, ich pohyby ale aj zvláštnosti oblačných systémov.
    Družice využívame na diaľkové pozorovanie Zeme. Sú to objekty, ktoré sú gravitačnou silou spojené s iným objektom a obiehajú okolo neho. Slúžia najmä na skenovanie zemského povrchu a komunikáciu. Družice majú na sebe umiestnené rôzne senzory, ktoré slúžia na zaznamenávanie a zber energie. Táto energia je odrazená zo zemského povrchu alebo z objektov, ktoré sa na povrchu nachádzajú. Poskytujú nám veľké množstvo rôznych typov snímkov. Taktiež existujú aj pozemné senzory, ktoré sú využívané na zbieranie informácii o povrchu zeme. Informácie zozbierané oboma typmi senzorov sa navzájom porovnávajú.
    Družica letí po dráhe, ktorá sa nazýva orbita družice. Podľa typu senzorov a objektov, ktoré majú byť pozorované, sa volí orbita družice. Jednotlivé orbity sa odlišujú svojou orientáciou, nadmorskou výškou ale aj rotáciou k zemskému povrchu. Družice vo veľkej výške snímajúce počas celej doby rovnakú časť zemského povrchu sú na geostacionárnych orbitách. Sú vo výške 36 000 km na Zemou a pohybujú sa súčasne s rotáciou Zeme. Družice na týchto orbitách obiehajú okolo Zeme a senzory snímajú a zaznamenávajú informácie o danej oblasti. Niektoré tieto geostacionárne satelity a senzory na nich môžu monitorovať počasie na celej hemisfére Zeme. Snímajú veľkú oblasť, no nie vždy sú schopné poskytnúť detailné informácie. Platí, že čím sú družice vyššie, tým väčšiu oblasť zaznamenajú ale, v tým nižšej kvalite.


   


    História meteorologických družíc


    Významnou súčasťou diaľkového prieskumu Zeme sú meteorologické družice. Prvé využitie informácií získaných zo snímok z kozmických letov bolo práve v oblasti meteorológie. Informácie, ktoré poskytli zábery o momentálnom stave v atmosfére (najmä zemskej oblačnosti), napomáhali odhaľovať zákonitosti tvorby počasia, a tým aj možnosti jeho predpovedí na vyššej úrovni. História meteorologických družíc sa začína už v prvej polovici 20. storočia. Myšlienky o umiestnení družíc na obežnú dráhu sa vo vtedajšej vedeckej literatúre objavovali už v 20. a 30. rokoch a s nimi aj možnosti nepretržitého sledovania počasia na obrovskom území. Významným míľnikom bola druhá svetová vojna a s ňou spojený rozvoj raketovej techniky.
    Prvou skutočnou čisto meteorologickou družicou bol americký TIROS-1. Ten bol vypustený 1. apríla 1960 a začal tak éru družíc na polárnych dráhach. Počas viac ako piatich desaťročí, ktoré ubehli od jeho štartu prešli, družice používané v meteorológií ako aj ich vybavenie prístrojov prešli ohromným vývojom. Spočiatku boli tieto prístroje v porovnaní so súčasnými, takzvanými skenovacími rádiometrami s vysokou presnosťou pomerne primitívne.
    K významným dátumom patri tiež 7. december 1966, v tento deň bola vypustená družica ATS-1. Bola to prvá geostacionárna družica s meteorologickým prístrojovým vybavením. Neskôr 16. októbra 1975 mala štart prvá operatívna meteorologická družica na geostacionárnej dráhe GOES-1 a 23. Novembra 1977 mala štart prvá európska geostacionárna meteorologická družica METEOSAT-1.
    Kvalita, dostupnosť a rýchlosť spracovania družicových dát sa v priebehu deväťdesiatych rokov výrazne zlepšila, čo pochopiteľne zvýšilo aj ich využiteľnosť. Neustále prebieha vylepšovanie a vývoj prístrojového vybavenia družíc. V súčasnosti je zavedený globálny systém meteorologických družíc pre monitorovanie atmosféry Zeme. Satelity, ktoré sú označované ako WXSAT (Weather Satellite - satelity pre sledovanie poveternostnej situácie) a tvoria tento systém. Rozdeľujú sa na dva základné typy a tieto sa súčasne dopĺňajú a ich kombináciou funkcií sa získavajú kvalitné informácie o atmosfére. Jedná sa o družice na polárnych dráhach a geostacionárne družice. Tieto družice si popíšeme v nasledujúcich podkapitolách.



Obr. 1 Svetový meteorologický pozorovací satelitný systém


   Geostacionárne družice

    Geostacionárne družice sú umiestnené v statickej výške nad Zemou okolo 36 000 kilometrov. Tu obiehajú rovnakou rýchlosťou okolo Zeme ako Zem rotuje okolo svojej osi, obletí ju teda približne raz za 24 hodín. To v praxi znamená, že ostávajú pevne nad jedným bodom vzhľadom k Zemi a z pohľadu pozorovateľa na Zem sa na oblohe ich poloha nemení. Tento bod vzhľadom k Zemi je spravidla priamo nad rovníkom. Vzhľadom na výšku, v ktorej tieto družice pracujú, sú nevýhodou veľké energetické nároky na ich vypustenie, ale aj nutnosť využitia omnoho lepších skenerov s priestorovou rozlišovacou schopnosťou. K zaisteniu súvislého pokrytia celej planéty je potrebných päť geostacionárnych meteorologických družíc fungujúcich okolo Zeme s výnimkou pokrytia polárnych oblastí. Ide o japonský GMS, americké družice GOES-8 a GOES-9, európsky METEOSAT, ďalej je to indický INSAT, respektíve ruský GOMS.



    METEOSAT

    V roku 1977 bol vynesený prvý METEOSAT americkou raketou Delta z Cape Canaveral. Ďalšie družice boli už vynášané európskymi raketami Ariane z Guyanského kozmického centra vo francúzskej Guyane. V súčasnosti sú aktívne dve družice prvej generácie a dve družice druhej generácie. Družice pracujú vo dvojiciach, jedna ako hlavná a druhá ako záložná. Prvá dvojica je umiestnená nad Indickým oceánom. Druhá dvojica nad nultým poludníkom a sníma Európu, časť Afriky a Ameriky.
    Štáty západnej Európy nemali pred vypustením prvej družice METEOSAT žiadny satelitný systém pre pozorovanie počasia. S nápadom európskej geostacionárnej meteorologickej družice prišli vedci z European Space Research Organisation, predchodcu dnešnej ESA (Európska kozmická agentúra). Prvý METEOSAT začal len ako vedecký program. Snímky, ktoré poskytoval, sa však v krátkom čase stali nepostrádateľnými a tento program prešiel do operačnej prevádzky. Medzinárodná organizácia EUMETSAT, ktorá mala za úlohu správu programu, distribúciu dát koncovým užívateľom a prevádzku družíc vznikla v roku 1983. Pred založením EUMETSAT začala ESA program Meteosat Operational Programme (MOP), ktorý poháňal vývoj a výrobu družíc do roku 1995.
    Prvým satelitom programu MOP bol v roku 1989 METEOSAT-4, ktorý bol nasledovaný METEOSAT- 5 v roku 1991 a METEOSAT-6 v roku 1993. Nasledoval Meteosat Transition Programme (MTP), program ktorý slúžil ako prechodný článok medzi prvou a druhou generáciou. Jediným satelitom tohto programu je Meteosat 7, ktorý bol vypustený v roku 1997. Meteosat 8 je prvým satelitom druhej generácie a bol vypustený v roku 2002.
    Satelity ku koncu svojej životnosti sú presunuté na iné miesta, napríklad Meteosat 3 bol presunutý nad Severnú Ameriku. Satelit na konci životnosti je presunutý na vyššiu obežnú dráhu, aby sa predišlo kolízii. V roku 2009 operovali celkom štyri družice. Najviac ich zatiaľ bolo v roku 2007, kedy boli vedené ako aktívne Meteosaty 5 až 9. Ďalšie štarty dvoch družíc druhej generácie sú plánované na roky 2011 a 2013. Začiatok služby družíc tretej generácie by mal byť okolo roku 2015.



    Meteosaty prvej generácie

    Snímanie povrchu Zeme je zabezpečené rotáciou družice okolo jej osi rovnobežne so zemskou osou, rýchlosťou 100 otáčok za minútu. Zemský povrch je snímaný od juhu na sever každých 30 minút - začiatky sú vždy v 30. a 60. minúte. Dĺžka snímania je 25 minút, 5 minút na stabilizáciu prístrojov a na návrat do východzieho stavu, potom začína snímanie znova. Týmto spôsobom METEOSAT nasníma za 24 hodín celkovo 48 obrazových súborov (slotov).
    Družica na palube nesie:
  • trojkanálový rádiometer MVIRI (Meteosat Visible and Infrared Imager)
  • zariadenia pre distribúciu spracovaných snímkov a pri retranslácii meteorologických dát z automatických pozemných staníc
  • pre zbieranie radiácie odrazový ďalekohľad systému Cassegrain / Ritchey-Chrétien s hlavným zrkadlom veľkosti 400 mm a ekvivalentnou ohniskovou vzdialenosťou 3,65 m
    Tri spektrálne pásma:
  • viditeľné pásmo (VIS) - 0,4 až 1,0 μm; veľkosť pixlu (rozlíšenie) 2,5 km
  • tepelné infračervené pásmo (IR) - 10,5 až 12,5 μm; veľkosť pixlu 5 km
  • absorpčné pásmo vodných pár (WV) - 5,7 až 7,1 μm; veľkosť pixlu 5 km


    Meteosaty druhej generácie

   Družice METEOSAT druhej generácie budú robiť na rozdiel od prvej generácie snímky v kratšom časovom intervale (15 minútový, oproti pôvodnému 30-minútovému), na viacerých vlnových dĺžkach (12 spektrálnych kanálov, oproti pôvodným trom) a vo väčšom geometrickom rozlíšení. Predpokladaná životnosť družíc je 5 rokov.
    Družica na palube nesie:
  • dvanásťkanálový rádiometer SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager)
  • rádiometer GERB (geostacionárnej Earth Radiation Budget), pre štúdium radiačnej rovnováhy Zeme
  • komunikačný systém MCP (Mission Communication Payload) - Zaisťujúci meteorologických prenos dát z družice a z automatických pozemných meracích staníc DCP (Data Collection Platform)
  • prevádzač vyhľadávacieho a záchranného systému SARSAT (Search and Rescue Satellite Transponder)



    GOMS

    Ruská meteorologická družica bola vypustená v rámci programu GOMS (Geostacionary Operational Meteorological Satellite), vyhláseného v roku 1975. Z Bajkonuru 31. októbra 1994 na rakete Proton-K/DM-2. Družicu postavilo VNII Elektromechaniki. Je nastavená na 76° v. d. nad Indickým oceánom. Táto družica poskytuje mapy oblačnosti a teplotu morí, súčasne s dátami na hornej hranici mrakov a rýchlosti vetrov, to slúži k možnosti varovania pred hurikánmi, tajfúnmi, povodňami.
    Družica na palube nesie:
  • televízne kamery
  • rádiometre (v optickom obore rozlíšenie 1,25 km, v infračervenom 6,5 km)



    GMS

    Družice GMS (geostacionárnej meteorologické družice) ich výrobcom je japonská spoločnosť NEC a ich prevádzkovateľom je Japonsko, NASD. 14. júla 1977 bola vypustená prvá družica GMS, družica GMS-2 bola vypustená 10. augusta 1981, 2. augusta 1984 bola vypustená GMS-3 a jej činnosť ukončená v Júni 1995, družica GMS-4 bola vypustená 5. 9. 1989 a jej činnosť ukončená 22. februára 2000. Družicu GMS-5 (Himawari - Slnečnica) vypustili z Tanegashima Island (asi 1000 km juhozápadne od Tokia) dňa18. marca 1995 a ktorá nahradila družicu GMS-4. Najskôr bola družica nastavená na 160 ° v. d., neskôr v júni 1995 bola presunutá na 140° v. d. (nad Austráliou). GMS družica poskytuje každých 25 minút zábery.
    Družica na palube nesie:
  • rádiometer VISSR (Single Imaging Visible and IR Spin Scan Radiometer)
   Kanály rádiometra:
  • viditeľné spektrum (0,5 - 0,75 μm) v rozlíšení 1,25 km
  • infračervené spektrum (10,5 - 12,5 μm) v rozlíšení 5 km
  • infračervený kanál pre monitorovanie obsahu vodnej pary v atmosfére Zeme



    GOES

    Tak ako mnoho družíc zameraných na monitorovanie počasia bola GOES vyvinutá a vypustená organizáciou NASA. Hneď ako bola schopná prevádzky, bolo riadenie odovzdané NOAA (National Environmental Satellite), ktorá je v súčasnosti operatívnom prevádzkovateľom tejto družice. Hlavná pozemná stanica CDA (Command and Data Acquisition) sa nachádza v areáli strediska NASA Wallops Flight Station, Virginia (USA). Snímkovanie oblačnosti a infračervené snímkovanie sú základnými funkciami tejto družice (s rozlišovacou schopnosťou do 1 km). Ďalej registrujú röntgenové žiarenie, kozmické žiarenie, a intenzitu magnetického poľa s nadväznosťou na slnečnú aktivitu.
    GOES družice umožňujú snímanie oblasti každých 20 sekúnd, tento režim sa skôr však využíva na výskumné účely a monitorovania živelných katastrof.


Tab. 1 Prehľad družíc GOES


NÁZOV

Začiatok činnosti

Činnosť

GOES 1

 16. októbra 1975 vyradený z prevádzky

GOES 2

 16. októbra 1975 vyradený z prevádzky

GOES 2

16. júna 1977

 vyradený z prevádzky

GOES 3

16. júna 1978

 použitý ako spojenie pri komunikácií pre výskum stanice južného pólu

GOES 4

9. septembra 1980

 vyradený z prevádzky

GOES 5

22. mája 1981

 vyradený z prevádzky

GOES 6

28. apríla 1983

 vyradený z prevádzky

GOES G

 3. mája 1986 nepodarilo sa ho dostať na obežnú dráhu

GOES 7

28.apríla 1987

 používa sa ako komunikačný satelit Peacesat

GOES 8

13. apríla 1994

 vyradený z prevádzky

GOES 9

23. mája 1995

 vyradený z prevádzky

GOES 10

25. apríla 1997

 vyradený z prevádzky

GOES 11

3. mája 2000

 vyradený z prevádzky

GOES 12

23. júla 2001

 poskytuje pokrytie pre Južnú Ameriku

GOES 13

 4. mája 2006 sa vrátil do prevádzky 18. októbra 2012 po anomálii

GOES 14

 27. júna 2009 pohotovostná družica, ktorá sa nachádza na 90 stupňov západne

GOES 15

 4. marca 2010 v prevádzke ako GOES West

GOES R

 bude vypustená v roku 2015

-

GOES S

 bude vypustená v roku 2017

-



    INSAT

    Poslednou družicou z radu INSAT je družica, ktorá nesie označenie 3C. Družica bola vypustená 27. septembra 2003 a bola skonštruovaná ISRO Satellite Centre (ISACA) v Bangalore (Karnataka, India), organizácia Indian Space Research Organization (ISRO), v Bengaluru (Karnataka, India) je jej prevádzkovateľom. Centrálna pozemná stanica a riadiaca stredisko MCF (Master Control Facility) sa nachádzajú pri meste Hassan (Karnataka, India). Bola nastavená na 74° v. d. Jej aktívna životnosť sa predpokladá na dvanásť rokov.
    Družica na palube nesie:
  • rádiometer VHRR (Very High Resolution Radiometer), pracujúci na viditeľnej oblasti spektra a rozlíšením 2 × 2 km na dvoch pásmach infračervenej oblasti s rozlíšením 8 × 8 km.
  • prehľadová televízna kamera s prvkami CCD (Charge Coupled Device) pracujúca na 3 pásmach (viditeľné, blízke infračervené a krátkovlnné infračervené) s rozlíšením 1 × 1 km
  • anténa s priemerom 0,9 m pre prenos meteorologických dát)



   Družice na polárnych dráhach

    Uhol, výška a profil dráhy polárnych družíc používaných v meteorológii sa podľa ich typu líši. Sklon roviny ich obežnej dráhy voči rovine zemského rovníka je približne 80 až 100 stupňov. To znamená, že sa pohybujú približne severojužným smerom a pri obehu okolo Zeme prelietajú jej polárne oblasti. Ich obežná dráha je vo výške od 600 až 1250 km nad zemským povrchom.
    Týmito družicami sú v dnešnej dobe americké civilné meteorologické družice NOAA. Ďalej pod označením polárnych družíc môžeme hovoriť napríklad o METEOR, ktorá predstavuje ruskú družicu alebo DMSP vojenské družice USA. Družice METEOR poskytujú pomerne nízku kvalitu dát, zatiaľ čo dáta z DMSP sú nedostupné. Preto väčšina civilných služieb zaoberajúcich sa meteorológiou využíva dáta z družíc NOAA.



    NOAA

    Ide o americké civilné družice, ich názov je odvodený od americkej vládnej agentúry (National Oceanic and Atmospheric Administration), ktorá spravuje tieto družice. Niekedy sa používa aj označenie "družice série TIROS-N (názov prvej družice tejto generácie)". Najnovšou sériu týchto družíc je séria NOAA-KLM (NOAA 15, 16 a 17).
    Družice sú vo výške 810 až 870 km a obiehajú Zem po heliosynchronnej dráhe (tzn. vždy v rovnakom miestnom čase prelet určitej zemepisnej šírky). Družice nepretržite snímajú pás široký 3000 km. Doba, počas ktorej preletí okolo Zeme, je približne 100 minút, čo predstavuje 14 obehov za deň. Posun dráhy medzi dvoma susednými preletmi je približne 25,5 stupňa západne.
    V prevádzke sú dve družice, tým je docielené pozorovanie ľubovoľného miesta na Zemi aspoň štyri krát za deň.
    TIROS-N, ktorý bol vypustený v októbri 1978, na neho neskôr nadviazal NOAA-A vypustený v júni 1979 a ktorý bol premenovaný na NOAA-6, NOAA-C bol vypustený v júni 1981 a premenovaný na NOAA-7, NOAA -E bol vypustený v marci 1983 a premenovaný na NOAA-8, NOAA-F bol vypustený v decembri 1984 a premenovaný na NOAA-9, NOAA-G bol vypustený v septembri 1986 a premenovaný na NOAA-10, NOAA-H bol vypustený v septembri 1988 a premenovaný na NOAA-11, NOAA-D vypustený máji 1991 a premenovaný na NOAA-12, NOAA-I vypustený v októbri 1993 a premenovaný na NOAA-13 a NOAA-J bol vypustený v novembri 1994 a premenovaný na NOAA-14. Séria TIROS-N až NOAA-D sú družicami série TIROS-N a NOAA-E až-N sú družicami série TIROS ATN teda Advanced TIROS-N. NOAA 15, 16, 17 sú určené pre operatívne využitie. Ide o družice typu Advanced TIROS-N.
    Na palube nesú:
  • päťkanálový rastrujúci rádiometer AVHRR / 3 (Advanced Very High Resolution Radiometer)
  • spektrometer SBUV / 2 (Solar Bacscatter UV) na meranie koncentrácie ozónu (vlnová dĺžka 160-400 nm)
  • monitor korpuskulárneho slnečného žiarenia SEM / 2 (Space Environment Monitor), ktorého súčasťou je detektor MEPED (Medium Energy Proton and Electron Detektor) pre detekciu korpuskulárneho žiarenia zo slnečných erupcií a ďalší mikrovlnný detektor
  • zdokonalený systém ARGOS-M (CNES, Francúzsko) čiže DCS (Data Collection Systém) pre zber dát z automatických meteorologických staníc na pevnine, na bójach a balónoch
   5 spektrálnych pásiem rádiometra:
  • viditeľné 0,55 - 0,68 mikrometrov; rozlišovaciu schopnosť 1,1 km
  • blízkej IČ 0,725 - 1,1 mikrometrov; rozlišovaciu schopnosť 1,1 km
  • termálne 3,55 - 3,92 mikrometrov; rozlišovaciu schopnosť 1,1 km
  • termálne 10,5 - 11,5 mikrometrov; rozlišovaciu schopnosť 1,1 km
  • termálne 11,0 - 12,5 mikrometrov; rozlišovaciu schopnosť 1,1 km



    METEOR

    Ide o ruské meteorologické satelity. Tieto satelity sú zavesené vo väčšej výške ako satelity NOAA (1200km). Sklon dráhy satelitov METEOR je 82° a doba preletu okolo Zeme je 115 min.
    Ruský METEOR 1-1 bol prvý plne funkčný meteorologický satelit a bol vypustený 26. marca 1969 a vynesený raketou Vostok.
    Meteor 2-21 / Fizeau je dvadsiaty prvý ale aj posledný Meteor 2. série ruských meteorologických družíc vypustený v roku 1993.
    Meteor-3 vykonáva mapovanie ozónu v atmosfére spektrometrom TOMS. Vypustený bol 15. augusta 1991. Meteor-3 TOMS mal jedinečnú dráhu, ktorá predstavovala osobitné problémy pri spracovaní dát. Meteor-3 TOMS je vyradený od decembra 1994. Meteor 3-5, ktorý bol vypustený v roku 1991, sa nachádza na vyššej obežnej dráhe, ako Meteor 2-21.
    METEOR 3-6/PRARE je šiesty satelit v sérií meteorologických družíc METEOR-3. Bol vypustený v roku 1994. Tieto družice poskytujú informácie o počasí vrátane údajov o mrakoch, ľadovej a snehovej pokrývke, atmosférickom žiarení a vlhkosti.
    Séria satelitov Meteor-3M má byť komplexný rad polárnych družíc s rozlišovacou schopnosťou viditeľného spektra 1,4 km a desať kanálovým rádiometrom s rozlíšením 3 km. Prvý z nich bol Meteor 3M-N1, ktorý bol vypustený 10. decembra 2001 z Bajkonur v Kazachstane. METEOR-3M obsahuje SAGE III (Stratospheric Aerosol a Gas Experiment) prístroje určené na meranie teploty a vlhkosti, mrakov, povrchové vlastnosti a meranie vysoko energetických častíc v horných vrstvách atmosféry.



2 Veličiny merané meteorologickými družicami


    Meteorologické pozorovania družicami sú robené z rôznych dôvodov. Používajú sa na spracovanie rôznych meteorologických analýz, prognóz, poveternostných varovaní, pre štúdium klímy, pre rôzne prevádzky (napríklad letiská, stavebne práce na zemi aj na mori), pre hydrológiu a poľnohospodársku meteorológiu, ale aj pre meteorologický a klimatický výskum.
    Svetová meteorologická organizácia WMO popisuje požiadavky na globálne, regionálne a národné mierky podľa oblasti použitia. Globálny pozorovací systém je navrhnutý tak, aby splnil tieto požiadavky a skladá sa z pozemného subsystému a kozmického subsystému. Pozemný subsystém zahŕňa širokú škálu typov staníc podľa konkrétneho použitia, napríklad povrchové synoptické stanice, klimatologické stanice atď. Kozmický subsystém sa skladá z družíc, ktoré sú spojené s pozemnými časťami pre velenie, riadenie a príjem dát.



    Merané veličiny


    Teplota

    WMO definuje teplotu ako fyzikálnu veličinu charakterizujúcu priemerný náhodný pohyb molekúl vo fyzickom telese. Teplota je charakterizovaná správaním, pri ktorom dva telesa v tepelnom kontakte nadobúdajú rovnakú teplotu. Teplota predstavuje termodynamický stav telesa, a jej hodnota sa stanoví podľa smeru z čistého toku tepla medzi dvoma telesami.
    Pre meteorologické účely sú merané rôzne druhy teplôt. Najčastejšie meraná veličina je teplota vzduchu (v rôznych výškach), ďalej môžeme merať teplotu zeme, pôdy, morskej vody.
    Termodynamická teplota T s jednotkami Kelvin K je základnou teplotnou jednotkou. Teplota t v stupňoch Celzia sa používa pre väčšinu meteorologických účelov t/ °C=T/K-273,15. Meteorologické požiadavky pre merania teploty sa tykajú hlavne nasledujúceho:
  • Vzduch v blízkosti zemského povrchu
  • Povrch zeme
  • Pôda v rôznych hĺbkach
  • Povrchové úrovne mora a jazera
  • Horný vzduch
    Na meranie teploty v objekte sa používa teplomer. Teplomer získa rovnakú teplotu ako objekt. Teplota môže byť určená aj rádiometrom bez potreby tepelnej rovnováhy. Rádiometrické teplomery pracujú v infračervenej časti elektromagnetického spektra a sú používané aj na meranie teploty pomocou satelitov.



    Atmosférický tlak

    Atmosférický tlak je tlak, spôsobený atmosférou planéty Zem. Tento tlak je vyvolaný tiažou vzduchového stĺpca siahajúceho od nadmorskej výšky, v ktorej tlak meriame, až po hornú hranicu atmosféry. Na rozdiel od skutočného tlaku pri tomto musí byť určená aj tlaková tendencia.
    Základnou jednotkou pre meranie atmosférického tlaku je Pascal (Pa). Pre meteorologické účely je zavedená jednotka Hectopascal (hPa) čo sa rovná 100 Pa.
    Pre predpoveď počasia je atmosférický tlak veľmi dôležitým, najmä jeho zmeny a ich rýchlosť. Dôležité je presné definovanie tlakových polí, pretože tieto polia tvoria základ pre všetky ďalšie predikcie stavu atmosféry. Pre meteorologické účely sa atmosférický tlak meria elektronickým barometrom, ortuťovým barometrom, aneroidným barometrom, hypsometrom.
    Existuje niekoľko všeobecných metód na meranie atmosférického tlaku. Historicky najrozšírenejšia metóda merania tlaku v atmosfére zahŕňa vyrovnávanie proti hmotnosti stupňa kvapaliny. Ortuťové barometre majú dlhodobú stabilitu a presnosť, ale strácajú podporu kvôli elektronickým barometrom, ktoré sú čitateľnejšie.



    Vlhkosť

    Vlhkosť vzduchu môžeme definovať ako obsah vody v atmosfére. V meteorológií ju môžeme definovať veličinami:
  • Množstvo vodnej pary v gramoch v 1 m³ vzduchu sa nazýva absolútna vlhkosť vzduchu.
  • Absolútna vlhkosť vzduchu vydelená vlhkosťou nasýtených vodných pár pri rovnakej teplote v rovnakom objeme sa nazýva relatívna vlhkosť vzduchu.
  • Množstvo vodných pár v gramoch v 1 kg suchého vzduchu sa nazýva špecifická vlhkosť vzduchu.
  • Teplota vzduchu mínus teplota rosného bodu nazývame deficit rosného bodu.
  • Parciálny tlak vodných pár v hPa je tlak vodných pár.
  • Tlak pár pri nasýtení nad vodou za dennej teploty mínus skutočný tlak pár je sýtostný doplnok
    Absolútnou vlhkosťou vzduchu sa v meteorológii vyjadruje v gramoch. Tlak vodnej pary vyjadrujeme v Hektopaskaloch (hPa). Relatívna vlhkosť vzduchu sa vyjadruje v percentách (%).
    Merania vlhkosti na zemskom povrchu sú nevyhnutné pre meteorologické analýzy a prognózy, klimatické štúdie, pre mnohé využitia v hydrológii, v poľnohospodárstve, v leteckých službách a pre environmentálne štúdie všeobecne. Nástroj pre meranie vlhkosti nazývame vlhkomer. Gravimetrický vlhkomer absorbuje vodnú paru z objemu vzduchu a zisťuje tak, aký je prírastok jeho hmotnosti.



    Výškový profil tlaku vzduchu, teploty a vlhkosti

    Rádiosonda: Nástroj určený na prepravu v balóne cez atmosféru, vybavený zariadením na meranie jednej alebo viacerých meteorologických veličín (tlak, teplota, vlhkosť, atď), a ktorý je vybavený vysielačom pre zasielanie týchto informácií na pozorovacie stanice. Rádiosonda môže byť pripojená k balónu alebo môže byť vynesená z lietadla alebo rakety. Rádiosondové systémy sa zvyčajne používajú na meranie tlaku, teploty a relatívnej vlhkosti. Na väčšine prevádzkových miest. Systém rádiosondy sa tiež používa pre pozorovanie horného vetra, na snímanie atmosférických zložiek, ako je koncentrácia ozónu alebo rádioaktivity.
    Jednotky veličín meraných pomocou meteorologických radiosond sú hectopascal pre tlak, Celziov stupeň pre teplotu, a kg× m-3 relatívnej vlhkosti. Relatívna vlhkosť je hlásená vzhľadom k tlaku nasýtených pár a to aj pri teplotách pod 0 ° C.
    Satelitné pozorovania majú najväčší vplyv pre analýzu predpovede počasia nad oceánmi a nad inými časťami sveta, kde pozorovania rádiosondami na lietadlách nie sú k dispozícii alebo sú v nízkej frekvencii letov.
    Presné merania tlaku vzduchu, teploty a vlhkosti vo vertikálnej štruktúre v troposfére sú nesmierne dôležité pri všetky typoch predpovedi, najmä regionálnych a miestnych. Merania ukazujú súčasnú vertikálnu štruktúru mrakov alebo vrstiev hmly a stabilitu atmosféry. Meranie vo vertikálnej štruktúre zvyčajne poskytuje s dostatočnou presnosťou, avšak niekedy chyby v numerických analýzach spôsobujú problémy s predpoveďou počasia, v prípade, že chyba nie je kompenzovaná.



    Zrážky

    Zrážky sú definované ako kvapalné alebo pevné produkty koncentrácie vodnej pary padajúce z mrakov alebo vložené zo vzduchu na zem. Zahŕňajú dážď, sneh, rosu, mráz, hmlu. Celkové množstvo zrážok, ktoré dopadne na zem v danom období, je vyjadrené ako zvislá hĺbka vody, ktorá pokryje horizontálne zemsky povrch. Sneženie je tiež vyjadrené hĺbkou čerstvo napadnutého snehu, ktorý pokrýva vodorovný povrch.
    Mernou jednotkou je pre zrážky hĺbka v milimetroch, objem/plocha (Kg/m-2 Denný množstvo zrážok sa vyjadruje s presnosťou na 0,2 mm/týždenné alebo mesačné predpovede s presnosťou 1mm.
    Pre synoptické, klimatologické a hydrologické účely sa vykonávajú merania v hodinových, trojhodinových a denných intervaloch. Meranie zrážok sa vykonáva zrážkomerom. Družicové snímky slúžia na definovanie a kvantifikáciu priestorového rozloženia zrážok.



    Žiarenie

    Rôzne toky žiarenia na a zo zemského povrchu patria medzi najvýznamnejšie premenné veličiny v tepelnom hospodárstve zeme ako celku a pri každom individuálnom mieste na zemskom povrchu alebo v atmosfére merania žiarenia sa robia najmä pre:
  • Štúdie zmeny energie v zemskej atmosfére a jej zmeny v čase a priestore
  • Analýza vlastností a šírenie v atmosfére s ohľadom na zložky ako aerosóly, vodná para, ozón
  • Štúdie rozdelenia a zmien prichádzajúceho, odchádzajúceho žiarenia
  • Pre potreby biologických, lekárskych, poľnohospodárskych, stavebných a priemyselných činností s ohľadom na žiarenie
  • Overenie satelitných meraní
    Žiarenie môžeme rozdeliť do dvoch skupín a to solárne a pozemné. Solárna energia je elektromagnetická energia vyžarovaná Slnkom. Pozemná žiarenie je dlhá vlna elektromagnetického vyžarovania zemským povrchom a plynmi, aerosólmi a mrakmi v atmosfére.
    Hodnoty žiarenia sú merané v jedno hodinových časových intervaloch, niekedy aj v intervaloch kratších ako jedna minúta.
    Zariadenia na merania žiarenia sa delia podľa rôznych kritérií a to podľa typu žiarenia, zorného poľa, spektrálnej odozvy a podobne.
  • Absolútny pyrheliometer
  • Spektrálny pyrheliometer
  • Slnečný pyrheliometer
  • Pyranometer
  • Sieťový pyranometer
  • Pyrgeometer
  • Pyrádiometer
  • Sieťový pyrádiometer



    Výškové vetry

    Meranie výškových vetrov je pozorovanie vetra v danej výške, alebo výsledok kompletného sondovania smeru a rýchlosti vetra v atmosfére. Rýchlosť výškových vetrov je zvyčajne uvedená v metroch za sekundu alebo v uzloch, no sú používané aj kilometre za hodinu. Smer vetra sa vykazuje v stupňoch od severu.
    Vyjadrenie výškových vetrov je potrebné pre správnu predpoveď počasia na všetkých úrovniach a vo všetkých zemepisných šírkach. Sú zvyčajne používané v spojení s meraním teploty a relatívnej vlhkosti vzduchu. Sú nevyhnutné pre bezpečnosť a ekonomiku prevádzky lietadiel a pre bezpečnosť vo vojenských operáciách, štartov rakiet a ďalších výskumných činností.



    Oblačnosť

    Pozorovanie mrakov a odhad alebo meranie ich výšky nad zemským povrchom je dôležité pre mnohé dôvody, napríklad letectvo. Mrak je súhrn veľmi malých vodných kvapôčok, ľadových kryštálov alebo ich kombinácia nad zemským povrchom. Priemer častíc v mraku je 0,01 mm. Mraky môžeme rozdeliť podľa tvaru. V súčasnosti existuje 10 druhov mrakov.
    Jednotkou merania výšky mrakov je meter, pre niektoré letecké použitia je to stopa. Väčšina meraní mrakov sa robí vizuálnym pozorovaním. Ak je obloha pokrytá mrakmi, hovoríme o oblačnosti. Oblačnosť sa vyjadruje v osminách a ukazuje, aký zlomok oblohy je mrakmi pokrytý. Oblohu môžeme pomyselne rozdeliť na osem osmín (8/8) a určiť tak pokrytie oblakmi. Napríklad 1/8 znamená, že oblaky na oblohe vyskytujú len zriedka a 8/8 označuje, že obloha je úplne zatiahnutá. Pri určovaní oblačnosti nie je podstatné či sa oblaky prekrývajú alebo o aký druh oblačnosti ide. Stačí len porovnať pomer oblakov k modrej oblohe. Termín polojasno sa používa v prípade, ak prevažuje vysoká a stredná oblačnosť, cez ktorú presvitá slnko. Ak prevláda hustá oblačnosť, používa sa termín polooblačno.


Tab. 2 Rozdelenie oblačnosti



Slovné označenie

Oblačnosť v osminách

jasno

1/8

skoro jasno

 2/8

malá oblačnosť

 3/8

polojasno, polooblačno*

 4/8

oblačno

 5/8–6/8

skoro zamračené

 7/8

zamračené

 8/8


    Merania z rádiometrom umiestneným na družici, ktoré sú doplnené infračervenými obrázkami, môžu byť použité pre odhady mrakov na veľkom území. Avšak vyskytujú sa tu problémy, napríklad nemožnosť rozlíšiť, či ide o tenkú vrstvu mrakov alebo o hmlu.



    Ozón

    Ozón je molekula, ktorá sa skladá z troch atómov kyslíka, ktorý je prirodzene vytvorený fotolýzou normálneho kyslíka ultrafialovým slnečným žiarením na vlnových dĺžkach pod 242,5 nm v stratosfére. Určité množstvo ozónu sa vytvára v troposfére v reťazci chemických reakcií zahŕňajúcich plyny obsahujúce uhľovodíky a dusík.
    Existujú tri charakteristiky ozónu, ktoré sú bežne merané a hlásené z družicových systémov:
  • Prízemný ozón
  • Celkový ozón
  • Vertikálny profil ozónu
    Prízemný ozón vyjadruje koncentráciu lokálneho ozónu vo vrstve niekoľkých metrov nad zemou v určitom mieste na zemskom povrchu. Celkový ozón je celkové množstvo ozónu obsiahnutom vo zvislom stĺpci v atmosfére nad krajinou v rozmedzí od zemského povrchu po okraj atmosféry. Používanou jednotkou celkového ozónu je Dobsonova jednotka (hrúbka stĺpca čistého ozónu pri štandardnej teplote a tlaku a vertikálna hustota stĺpca).
    Atmosférický ozón sa meria spektrfometrom. Ozónový spektrofometer je vložený aj na družiciach. Družicové merania využívajú spektrofometre, ktoré merajú slnečné žiarenie, odrazené od zemského povrchu a atmosféry.



   Sneh a ľad

    Satelit je vhodným nástrojom pre štúdium snehu a ľadovcov, čo nám umožňuje vykonávať výskum na veľkých a inak neprístupných oblastiach. Existujú rôzne metódy pre meranie vlastnosti snehu a ľadovcov pomocou družicových snímok. Tieto metódy sa počas posledných desiatich rokov zlepšujú s použitím nových satelitných senzorov, ako je SAR (synthetic aperture radar), čo vedie k vývoju nových a účinných metód, ako je napríklad interferometria SAR pre meranie rýchlosti ľadovca, digitálneho výškového modelu vytvárania ľadových štítov, alebo mapovanie snehovej pokrývky.



    Meteorologické družicové pozorovania v SHMÚ

    Na SHMÚ sa prijímajú údaje z geostacionárnych meteorologických družíc METEOSAT 5, 6, 7, ktoré sa nachádzajú na orbitálnej dráhe nad rovníkom vo výške 36 000 km. EUMETSAT je medzinárodná organizácia pre využívanie meteorologických družíc, ktorá údaje z družíc riadi a distribuuje. Meteosat 7 vykonáva základné merania s intervalom 30 minút z nominálnej polohy na nultom poludníku. Meteosat 6 vykonáva merania so skráteným intervalom 10 minút z polohy 10 stupňov západne. Meteosat 5 je umiestnená 63 stupňov východne a jej údaje sú prijímané na SHMÚ len pre informatívne účely. Geostacionárna družica Meteosat sníma povrch Zeme a jej atmosféru pomocou rádiometrického skenera v troch vlnových oblastiach elektromagnetického žiarenia:
  • vo viditeľnej oblasti (VIS - pásmo 0.5 až 0.9 μm),
  • v infračervenej oblasti (IR -pásmo 10.5 až 12.5 μm),
  • v oblasti absorpcie tepelného žiarenia vodnou parou (WV - pásmo 5.7 až 7.1 μm)
    Spracovanie družicových údajov prebieha v niekoľkých za sebou nadväzujúcich krokoch:
  • príjem údajov
  • identifikácia signálov z jednotlivých kanálov),
  • kalibrácia skenerom nameraných hodnôt na radiačné teploty
  • geometrická transformácia obrazov do používanej kartografickej projekcie
    Pre zobrazenie družicových obrazov sa používa na SHMÚ niekoľko kartografických projekcií:
  • pôvodné družicové zobrazenie
  • zobrazenie na guľu
  • zobrazenie do rovnako plošnej kužeľovej projekcie
    Podľa spôsobu použitia družicových údajov sa volí typ projekcie a spôsob kombinácie s inými druhmi meteorologických údajov. Družicové obrazy sa kombinujú s meraniami z pozemných staníc, s rádiolokačnými meraniami. Používané sú tu snímky z družice Meteosat 7. Na kontinuálne sledovanie vývoja a pohybu oblačnosti sa používajú animované sekvencie snímkov z družice Meteosat 6, ktorá s jej 10 minútovými intervalmi umožňuje sledovať aj rýchlo sa vyvíjajúce javy, ako napríklad búrky. Údaje z družice sa nakrátko ukladajú na diskových jednotkách a dlhodobo na dátové pásky.




    Metódy merania meteorologických veličín

    Všetky systémy určené k diaľkovému prieskumu sú zlozené zo štyroch základných zložiek. Prvú zložku tvoria energetické zdroje, tj fyzikálne pole Zeme a zdroje mechanických a elektromagnetických vĺn, ktoré predstavujú podstatu metód používaných v diaľkovom prieskume. Ďalšou z nich je pozorovaná scéna (skúmaný objekt, krajina, dno mora) ako aj priľahlého prostredia (atmosféry, hydrosféry) a im zodpovedajúce fyzikálne charakteristiky. Tretou zložkou je meracia aparatúra, ktorá je umiestnená na nosiči, družici. Detektory rôznych typov tvoria jej hlavnú súčasť. Pomocou zariadení, ktoré nie sú fyzicky v kontakte so študovaným objektom vznikajú záznamy diaľkového prieskumu. Medzi takéto zariadenia patria kamery, lasery, rádiometre, rádiofrekvenčné prijímače, radarové systémy, sonary, seizmograf, magnetometre, gravimetre, scintilačný počítač a podobne. Štvrtú časťou je spracovateľský systém, do ktorého patrí zložka predspracovania dát na palube nosiča a užívateľská zložka predspracovania a spracovanie dát, výstupy, ktorej sú podkladové materiály pre popis objektov ktoré sú sledované ako aj javov.
    Senzory na meranie veličín môžeme rozdeliť na dva kategórie a to podľa toho, či sledujú charakteristiky umelo budených polí - aktívne senzory, alebo charakteristiky prirodzených fyzikálnych polí - pasívne senzory. Ďalej môžu byt rozdelené na senzory nezobrazujúce - meria celkovú charakteristiku skúmaného objektu a senzory zobrazujúce - vytvárajú obraz objektu. Všetky tieto senzory poskytujú tri skupiny informácií: informácie spektrálne, priestorové a informácie o intenzite poľa.



    Merania pomocou elektromagnetického žiarenia

    V tejto skupine sú začlenené metódy obrazové a plánovacie, ktoré využívajú elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 1×10 0 až 3×10-7 m (to predstavuje frekvenciu 3×10 8 až 1×10 5 Hz), ktoré sa delia na viditeľné, infračervené, ultrafialové, a mikrovlnné.



Obr. 2 Spektrum elektromagnetického žiarenia


    Pri prechode atmosférou dochádza pomocou interakcii molekulami plynov, vodných pár a rôznych aerosólov k ovplyvneniu žiarenia v dôsledku procesov absorpcie, rozptylu a odrazu. Miera tohto ovplyvnenia závisí pochopiteľne tiež na vlnovej dĺžke žiarenia a na vzdialenosti priechodu atmosférou.



Obr. 3 Vplyv atmosféry a hydrosféry na elektromagnetické žiarenie


    Atmosférické okná - vlnové pásma ľahko prechádzajúce atmosférou určujú hlavné prostriedky, používané na meranie, ktoré sa delia na aktívne - radarové a laserové mapovanie a pasívne - farebná, čiernobiela a infračervená fotografia, multispektrálne, termálne až ultrafialové snímanie.
    Podľa toho aký prvok sa sleduje v atmosfére je zvolený rozsah vlnových dĺžok detegovaného žiarenia. Napríklad schopnosť objektu odrážať slnečné žiarenie je určovaná pomocou vlnovej dĺžky zodpovedajúcej viditeľnej časti spektra. Pri určovaní množstva vodnej pary v atmosfére je použitá vlnová dĺžka spektra v ktorej vodná para žiarenie zemského povrchu absorbuje. Pri prvých meteorologických operatívnych družiciach boli senzory navrhnute predovšetkým pre snímanie viditeľného infračerveného žiarenia (tj. 10,7 až 10,5 m) teda v krátkych vlnových dĺžkach. Mikrovlnný diaľkový prieskum Zeme sa vývojom technológii začal používať až neskôr. Tento mikrovlnný diaľkový prieskum pracoval s omnoho väčšími vlnovými dĺžkami (tj. 10-3 až 1 m) a s menšou frekvenciou. Gama žiarenie a röntgenové žiarenie alebo aj vysoko energetické žiarenie je vo vyšších vrstvách atmosféry úplne pohltené, preto ho nie je možné použiť pre diaľkový prieskum Zeme. Takéto žiarenie však našlo využitie pri skúmaní a pozorovaní vyššej atmosféry Zeme kde nie je úplne pohltené a tak je možné pozorovať zmeny a súčasný stav ozónovej vrstvy. Veľmi veľké vlnové dĺžky, teda rádiové žiarenie s nízkou frekvenciou je charakteristické hlavne pre sledovanie a mapovanie terénu. V meteorológii ho je možné využiť aj pre účel sledovania hurikánov. Najvhodnejšia pre meteorologické účely sú viditeľné, infračervené a mikrovlnné časti spektra. Vlnové dĺžky týchto žiarení umožňujú merať rovnaké prvky, pričom každé z nich ma osobitne prednosti a citlivosť voči určitým procesom a povrchom a preto je každé z nich určené k sledovaniu konkrétnych javov. Najlepším zdrojom informácii pre štúdium morského ľadu, vetra a iných nemerateľných veličín je meranie pomocou mikrovlnného žiarenia. Infračervené žiarenie je výhodné pri nepretržitom sledovaní oblačnosti a žiarenie viditeľné je využívané pri hodnotení momentálneho stavu oceánov. Pre sledovanie niektorých javov, či pre dosiahnutie dostatočnej presnosti a úplnosti finálnych produktov je však často nutná kombinácia údajov z rôznych senzorov.



3 Analýza výstupov meteorologických družíc


    Výstupy meteorologických družíc

   Meteorologické satelity v súčasnosti získavajú veľké množstvo dát, ktoré popisujú stav a vývoj atmosféry Zeme. Dáta získavajú vo vertikálnom, či horizontálnom smere a zaznamenávame tak nielen vývoj dopredu – predpovede, ale aj späť – analýzy. Modelové výstupy pre operatívne použitie sú spracovávané do grafickej aj tabuľkovej formy. Užívateľ tak získa celkový prehľad o výsledkoch z pozorovania. Používajú sa k tomu najmä meteogramy, grafy, ktoré slúžia na predpoveď základných meteorologických veličín a ďalej máme výstupy mapové. V súčasnej dobe sú satelitné fotografie používané v rutinnej predpovedi počasia. Satelitné výstupy sú realizované na Zem v dvoch režimoch:
  • zo satelitnej pamäte
  • priamy prenos snímok
   V prvom režime sú dáta získané z družice zaznamenané v satelitnej pamäti, z ktorej sú prenášané na pozemné stanice. Zber, spracovanie a distribúciu meteorologických dát riadi pozemná kontrolná stanica situovaná v nemeckom meste Darmstadt. Sú odtiaľ riadené všetky družice EUMETSATu. Prijaté dáta sú kalibrované a geometricky a rádiometricky korigované.
   Prostredníctvom systému EUMETCast sú distribuované užívateľom v Európe cez satelit Eurobird 9A a pre užívateľov v Európe, v Afrike a v oblasti Atlantického oceánu cez satelit AtlanticBird 3. Satelitné fotografie sú používané na rozbor oblačnosti podľa osobitného postupu. Rozbor snímkou oblačnosti sa vykonáva pomocou kvalifikovaného personálu, ktorý by pomocou obrazu mal byť schopný správne odhadnúť postupnosť oblakov a niektoré funkcie oblačnosti. Dáta z rozboru snímkou mrakov sú aplikované vo forme schematických grafov oblačnosti prenášaných cez komunikačné linky alebo vo forme kódovaných telegramov, ktoré sú následne dekódované na danej stanici a potom sa prenesené na mapu. V súčasnej dobe, rozbor snímkov oblačnosti je nevyhnutným nástrojom pre meteorológiu, najmä v regiónoch s riedkou sieťou meteorologických staníc.
   V druhom režime sú satelitné údaje priamo prenášané z paluby družice. Tieto údaje však majú len miestny charakter, pretože na zemi môžu byť prijímané iba v časovom intervale, ktorý je rovný dĺžke priamej rádiovej viditeľnosti satelitu z danej stanici. Plocha a veľkosti tohto rozsahu sa líši v závislosti na satelitnej technike a na výške obežnej dráhy. V súčasnej dobe plochy naskenované satelitmi majú šírku 1000 až 3000 km a dĺžku 4000 až 6000 km. Dáta z takéhoto priestoru môžu byť prenášané len zo satelitov vybavených automatickým obrazovým prenášačom APT (automatic picture transmission). V zásade nám satelitné záznamy poskytujú nasledujúce kategórie informácií:
  • fotografie prenášané Národnému centru pre počasie cez prenosové komunikačné linky
  • fotografie prenášané zo satelitov vybavených APT, takéto fotografie môžu byť odovzdané veľkému okruhu užívateľov,
  • výsledky rozboru snímkou mrakov prenášané v podobe kódovaných telegramov, alebo prostredníctvom faxových liniek vo forme schematických grafov oblačnosti.
   S týchto troch typov informácií dokážeme správne predložiť všeobecné predpovede sledovanej oblačnosti. Zorné pole zo satelitu je 100 krát väčšia ako zorné pole v oblasti pozemného pozorovateľa. Satelitné fotografie prinášajú okamžitý celkový obraz o oblačnosti, ktorý po dôkladnom výklade a dekódovaní môže byť rozobraný na jednotlivé prvky. Ďalším špecifickým aspektom, ktorý je potrebné brať do úvahy je rozdiel v rozlíšení medzi pozemnými a satelitnými pozorovaniami. Spravidla, pozemné informácie majú vyššie rozlíšenie ako informácie z údajov získaných zo satelitov. Aj pre extrémne výkonný dekodér predstavuje dekódovanie fotografie zo satelitu značné ťažkosti. Je potrebné poznamenať, že satelitná meteorológia sa stále ešte zdokonaľuje, a metódy, rovnako ako aj analýza sú stále vo vývoji. Satelitné snímky z toho istého regiónu sú získavané každých 12 hodín tj. dvakrát denne, počas toho môžu byť buď na osvetlenej alebo na temnej strane Zeme. Preto je možné zachytiť satelitne fotografie z rovnakej oblasti iba raz denne.
   Naskenovaná oblasť a jej rozlišovacia schopnosť závisí na uhle satelitného zariadenia, v ktorom sa daná oblasť skenuje. Pre konvenčné fotografické satelitné objektívy vo výške 720 km je plocha jediného obrázku 1500 km ak je optická os kamery vertikálne. Ak je optická os naklonená tak, že sníma niektorú časť oblohy, skenovaná oblasť sa líši od 2200 do 2300 km. Pri veľmi veľkých uhloch v čase najhlbšieho poklesu môže viditeľná vzdialenosť pozdĺž horizontu prekročiť 3800 km. V takom prípade je však rozlišovacia schopnosť výrazne znížená a na obrázku možno rozlíšiť len veľké detaily.



    Charakteristika snímkov

   Elektromagnetická energia môže byt vyjadrená spôsobom elektronickým alebo fotografickým. V prípade fotografického procesu sú využívané chemické reakcie na povrchu filmu. Tento film je citlivý na svetlo a sú na ňom zaznamenané rozdiely detekovanej energie. Je potrebne rozlíšiť rozdiel medzi termínom snímka a taktiež termínom fotografia v DPZ. Všetky obrazové prezentácie bez ohľadu na použité vlnové dĺžky ako aj DPZ zariadení sa nazývajú snímky, ktoré vznikli detekciou a zaznamenaním elektromagnetického žiarenia. Fotografia je špecifická snímka, ktorá bola detekovaná a zaznamenaná na fotografický film. Fotografie sú zvyčajné zaznamenané vo vlnových dĺžkach v rozpätí od 0.3 μm až 0.9 μm , to predstavuje odrazené a viditeľné infračervené spektrum. Môžeme teda povedať, že všetky fotografie sú snímky, no nie všetky snímky sú fotografie. Z tohto dôvodu, sa používa termín snímka aj pre snímky zostrojené fotograficky. Fotografie môžu mať taktiež digitálny formát kde je snímka rozdelená do malých oblastí rovnakej veľkosti, ktoré nazývame pixle. Tieto pixle charakterizujú jas všetkých oblastí s určitou numerickou hodnotou alebo číslom v digitálnom formáte. Každú digitálnu hodnotu počítač znázorní ako rozdielnu úroveň jasu. Znázornenie a reprezentovanie údajov DPZ buď obrazovo alebo digitálne sú vymeniteľné pokiaľ vyjadrujú rovnakú informáciu. Naše oči rozlišujú celý viditeľný rozsah vlnových dĺžok, ktoré náš mozog vyhodnocuje do samostatných farieb. Ak by sme videli len časť vlnových dĺžok, stratili by sme farebný obraz. Tento spôsob vyhodnocovania farieb môžeme taktiež pripísať senzorom. Informácie v senzoroch z rôznych vlnových dĺžok sú zhromaždené a uskladnené v jednotlivých kanáloch. Jednotlivé kanály dokážeme digitálne kombinovať použitím troch primárnych farieb (červená, modrá a zelená). Údaje získavané z jednotlivých kanáloch sú reprezentovane ako jedna z hlavných farieb. Tieto farby sú závislé na relatívnom jase alebo digitálnej hodnote jednotlivého pixlu nachádzajúcom sa v samotných kanáloch. Farby, ktoré sú prezentovane ako farby viditeľného spektra vznikajú ich kombináciou. Touto metódou pre zobrazenie jedného kanálu alebo určitého rozsahu vlnových dĺžok zobrazujeme tento kanál kombináciou všetkých primárnych farieb. Keďže úroveň jasu každého pixelu je na snímke vo všetkých farebných kanáloch rovnaká, dostávame snímku kombinovanú bielou a čiernou farbou. Snímka je teda čiernobiela s rôznou úrovňou sivej farby medzi extrémnymi hodnotami (biela a čierna). Ak znázorníme inou farbou viac ako jeden, potom úroveň jasu môže byť odlišná v každom kanály primárnych farieb. Týmto spôsobom vznikne kombinácia, ktorou výsledkom je farebná snímka. Obvykle sa však kombinujú tri odlišné vlnové dĺžky pomocou RGB (red, green, blue) farieb.



    Formáty obrazových dát

   Obrazové dáta zo satelitov môžeme získať v rôznych formátoch. Sú to napríklad binárne interné formáty až po rastrové obrázky. Formáty, ktoré sú odvodené sa jednoduchšie čítajú, avšak tieto formáty nepreberajú z pôvodných formátov hlavičkové informácie ako stav senzora, kalibrácia a geometria. Preto sa radšej používajú binárne zdrojové dáta v špecifických formátoch. Tieto dáta môžeme čítať pomocou rôznych softvérových modulov alebo podľa dostupnej dokumentácie. Originálne formáty dát zo satelitov:
  • HRIT formát (High Rate Information Transmission) – prenos obrazových dát medzi systémami umožňuje tento univerzálny formát. Tento formát ma vyčlenené metadáta a rozdelený na bloky a umožňuje kompresiu dát. Dáta v tomto formáte sú vysielané satelitmi MSG a MTSAT.
  • OpenMTP formát (Open Meteosat Transition Programme) – je to binárny obrazový formát, ktorý je zložený obrazovej číselnej matice a hlavičky. Jednotlivé súbory so spektrálnych kanálov sú spojené zip kompresiou. Dáta v tomto formáte sú vysielané satelitmi MFG.
  • GVAR formát (Goes Varaible Format) – je to špeciálny binárny formát. Tento formát je zo satelitu 10 bitovo kódovaný. Každý riadok je vybavený metadátovou hlavičkou a všetky spektrálne kanály sú spojené. Jeho výhodou je, že celkový objem dát je malý hoci má vysoké rozlíšenie viditeľného spektra. Dáta v tomto formáte sú vysielané satelitmi GOES.
  • McIDAS Area formát (Man Computer Interactive Data Access systém Area) - je to tiež špeciálny binárny formát vyvinutý univerzitou vo Wisconsine. Dáta v tomto formáte sú vysielané satelitmi GOES 9 a GMS. Originálne dáta z GMS satelitov už v dnešnej dobe nie sú prakticky čitateľné a nikto neposkytuje verejne dostupný softvér na ich spracovanie.
    Zobrazovanie snímkov


   Najjednoduchšie zobrazovanie snímkov je vo formátoch GIF alebo JPEG. Tieto snímky stačí dekomprimovať a zobraziť vhodným prehliadačom. Môžeme ich doplniť navigačnou mapou, ktorá nám možní jednoduchšiu orientáciu.
   Dáta z prístroja SEVIRI (Spining Enhanced Visible and Infrared Imager) je potrebné spätne transformovať a poskladať jednotlivé segmenty obrazu do výsledného záberu. Na to nám slúžia dva programy, ktoré sú dostupné. Prvý program je xrit2pic pre systémy Solaris, Windows, GNU/Linux. Druhým programom je MSG Data Manager určený iba pre Windows.
    Hlavnou funkciou týchto programov je previesť dáta na obraz. Výhodou programu XRIT2PIC je, že je ho možné ovládať z príkazového riadku a vytvoriť si tak skripty pre dávkové spracovanie snímok. Iným programom je napríklad GeoSatSignal. Tento program vie poskladať farebné kanály a tiež prevádza snímky do štandardnej mapovej projekcie. Pre ľahšiu interpretáciu meteorologických dát je možné kombinovať snímky z jednotlivých kanálov SEVIRI do farebných obrazov. Existuje taktiež viacero kresliacich programov, ktoré umožňujú skladanie obrazových kanálov, napríklad program GIMP a podobne. Takéto programy vedia pracovať vo vrstvách, umožňujú skladanie farebných kanálov a tiež obsahujú nástroje na upravenie obrazu. Ďalšie spracovanie snímok predstavuje pridanie značky copyrightu, dátumu a času, kedy bola daná snímka odfotografovaná. Toto spracovanie je robené pomocou príkazového riadku v programe ImageMagick, vytvára náhľady vždy niekoľkých aktuálnych snímok pre ich uverejnenia na internetových stránkach.



    Výstupy družice MSG

   Rádiometer SEVIRI je hlavné zariadenie na družici MSG. Toto zariadenie môže zaznamenávať Zem z 12 rôznych spektrálnych kanálov.


    Kanály rádiometra SEVIRI:


Tab. 3 Kanály rádiometra SEVIRI



č.

Pomenovanie kanála

Označenie kanálu

Stredná vlnová dĺžka

Šírka pásma

1

 viditeľný kanál VIS0.6 0,6 μm 0,56 – 0,71 μm

2

 viditeľný kanál (počas dňa) VIS0.8 0,8 μm 0,74 – 0,88 μm

3

blízky infračervený kanál (počas dňa)

 NIR1.6 1,6 μm 1,50 – 1,78 μm

 4

blízky infračervený kanál (dve zložky žiarenia)

 IR3.9 3,9 μm 3,48 - 4,36 μm

5

kanál absorpcie vodnou parou

WV6.2 6,2 μm 5,35 – 7,15 μm

6

kanál absorpcie vodnou parou

 WV7.3 7,3 μm 6,85 – 7,85 μm

7

infračervený kanál

 IR8.7 8,7 μm 8,30 – 7,10 μm

8

 infračervený kanál IR9.7 9,7 μm 9,38 – 9,94 μm

9

infračervený kanál

 IR10.8 10,8 μm 9,80 – 11,80 μm

10

infračervený kanál

 IR12.0 12,1 μm 11,00 – 13,00 μm

11

infračervený kanál

 IR13.4 13,4 μm 12,40 – 14,40 μm

12

viditeľný kanál s vysokým rozlíšením

 HRV 0,75 μm 0,60 – 0,90 μm


   Prvé dva kanály satelitu MSG sú vo viditeľnom absorpčnom pásme určené pre sledovanie pohybu oblačnosti a jej štruktúry. Poskytujú aj informáciu o zemskom povrchu, aerosóloch a takmer prirodzený pohľad na atmosféru a zemský povrch. V kombinácii s tretím kanálom sa používajú na sledovanie vývoja vegetácie. Tretí kanál je pre blízku infračervenú oblasť a umožňuje odlíšiť snehovú pokrývku od oblačnosti a prítomnosť ľadových kryštálikov v oblakoch. Pomáha rozlišovať aj aerosóly v atmosfére. Štvrtý kanál sníma krátkovlnné infračervené pásmo a rozlišuje nízku oblačnosť a hmlu v noci (bez prítomnosti slnečného svetla). Pomáha merať teplotu zemského povrchu a morskej hladiny a je veľmi užitočný pri mapovaní lesných požiarov.



Obr. 4 Kanály SEVIRI 1-4 snímky v infračervenom spektre


   Dvojica kanálov päť a šesť je citlivá na koncentráciu vodnej pary v hornej polovici troposféry. Pomáha pri identifikácii polopriehľadnej oblačnosti. Tieto kanály zároveň umožňujú identifikovať teplé, studené, vlhké a suché vzduchové hmoty.



Obr. 5 Kanály SEVIRI 5 a 6 - snímky v infračervenom spektre


   Prostredníctvom infračerveného pásma siedmeho kanála možno rozlíšiť riasovitú oblačnosť ľadových kryštálikov a vodných kvapiek. Údaje z ôsmeho kanála prispievajú k poznaniu celkového množstva ozónu v dolnej stratosfére a jeho dennej variability. Deviaty a desiaty kanál sú atmosférické okna. Poskytujú informácie o radiačnej teplote oblačnosti a zemského povrchu. Rozdelenie tejto časti spektra na dva kanály prispelo k zvýšeniu ich citlivosti na oblačnosť a zemský povrch. Ich spoločným použitím sa redukujú vplyvy atmosféry na výslednú teplotu hornej hranice oblačnosti. Tieto kanály sa používajú aj na výpočet meteorologických potenciálov na identifikáciu vzniku búrok.


Obr. 6 Kanály SEVIRI 7 - 10 - snímky v infračervenom spektre


    Jedenásty kanál je citlivý na absorpciu tepelného žiarenia oxidom uhličitým (CO2), preto sa používa na detekciu atmosférickej nestability a teploty dolnej troposféry. Dvanásty kanál sníma odrazené slnečné žiarenie v širšom intervale 0,6 až 0,9 μm pri vysokom priestorovom rozlíšení, až 1 km 2. Poskytuje najprirodzenejšie zobrazenie atmosféry a povrchu Zeme z hľadiska vnímania ľudského oka. Umožňuje veľmi dobre vizuálne rozoznávať štruktúru oblačnosti a jej optickú hustotu. Vďaka tomu môžeme pozorovať veľmi špecifické efekty, ako sú napríklad gravitačné vlny na hladine tropopauzy a výtok vodnej pary na vrcholkoch búrok do stratosféry.



Obr. 7 Kanály SEVIRI 11 - snímka v infračervenom spektre a Kanál SEVIRI 12 - snímka v širokom pásme


   Rádiometer SEVIRI má rozlišovaciu schopnosť na miesta pod družicou pre kanál s vysokým rozlíšením (12) 1 km. Pre ostatné kanály (1-11) je rozlišovacia schopnosť 3 km. Avšak rozlišovacia schopnosť pre oblasť strednej Európy je zmenšená, a to z dôvodu šikmého pohľadu. Pre kanály 1-11 je to 6 x 4 km a pre kanál 12 je to 3 x 2 km. Povrch zeme je skenovaný rádiometrom v plnom rozlíšení rýchlosťou štyri snímky za hodinu. Optická sústava sa skladá zo skenovacieho zrkadla, ktoré je o 45 ° sklopené od jeho hlavnej osy. Vychýliť sa môže ± 5,5 °. V ohniskovej rovine rádiometra sú pre jednotlivé kanály umiestnené polovodičové čidla. Snímače infračervených kanálov sú pasívne chladené na teplotu 95 K. Rádiometer skenuje planétu od južného pólu k severnému pólu. Pre vytvorenie jedného celého snímku je potrebné aby sa družica otáčala rýchlosťou sto otáčok za minútu. Takto musí vykonať 1250 otáčok pre jeden snímok.
   Na úrovni 1 sú surové dáta rádiometra posielané z družice MSG do pozemného riadiaceho strediska. Rýchlosť tohto prenosu je 3,2 Mb/s. Rozmery snímkou sú:
  • kanál 1 – 11: 3712 x 3712 pixlov
  • kanál 12: 5568 x 11 136 pixlov
Každý pixel má 10 bitové rozlíšenie.
   Na úrovni 1,5 sú prepracované dáta distribuované koncovým užívateľom iba v digitálnej forme. Tento prenos umožňujú:
  • služba EUMETCast DVB
  • družica MSG-2 v pásme 1,7 GHz.
   Služba EUMETCast DVB
Pri tejto službe sa rozlišujú dva typy prenosu. Tieto typy prenosov závisia na počte použitých spektrálnych kanálov a na spôsobe kompresie prenášaných dát. Rozdeľujeme ich na:
  • High Rate SEVIRI
  • Low Rate SEVIRI

Pri prenose High Rate SEVIRI sa v plnom rozlíšení prenáša všetkých 12 spektrálnych kanálov. Kanály 1-11 používajú bezstratovú kompresiu. Kanál 12 je čiastočne stratovo komprimovaný. Ďalej môžeme ešte rozdeliť dáta v plnom rozlíšení na dva typy:

  • snímky celého zemského povrchu – kde počas 1 hod. môžeme získať 4 sady dát v plnom rozlíšení
  • snímky severnej tretiny zemského povrch – údaje z MSG-1, ktorá má funkciu zrýchleného skenovania (RSS), čím sa strojnásobí počet snímkov za hodinu. Získame tak snímky v 5 minútových intervaloch.
Pri prenose Low Rate SEVIRI sa pri redukovanom prenose prenáša 5 vybraných spektrálnych kanálov (1, 3, 4, 5, 9) a tieto sú komprimované so stratou. Môžeme získať iba dve sady týchto dát počas 1 hodiny, to znamená 3O min/1 snímka.
Všetky získané dáta okrem dát, ktoré sú v 6 hodinových intervaloch (00:00, 06:00, 12:00, 18:00) podliehajú licencii spoločnosti EUMETSAT. Pre prístup k určitému balíku meteorologických dát je potrebné zakúpiť si software (EUMETCast Client Software) a licenciu.
    Celkový objem dát vo formáte HRIT (po dekompresii), ktoré sú prijaté z družice MSG za 15 minút predstavuje:
  • 430 MB za 15 min.
  • 41 GB za 24 hod.
   Archivácia dát vo formáte XPIF zosnímaných z najsevernejšej časti Zeme (3/8 zemského povrchu) zo všetkých kanálov má objem:
  • približne 50-60 MB každých 15 min. cez deň
  • približne 30 MB cez noc
  • za 1 deň je to približne 3,5 GB dát.
    Archivácia snímaných obrazových dát (RSS) vo formáte HRIT je v objeme približne 13 GB za deň. (prezentácia)



    Postup prenosu údajov z MSG do PC

  1. Získané dáta z družíc MSG sú ďalej posielané geostacionárnou družicou EuroBird 9A.
  2. EuroBird 9A je družica nachádzajúca sa nad rovníkom na 9 ° východnej dĺžky. Dáta z nej sú vysielané transpondérom na strednom kmitočte 11 977,0 MHz v pásme Ku s horizontálnou polarizáciou. Ide vlastne o dátový kanál prenášaný prostredníctvom DVB-S (satelitná digitálne TV).
  3. Pre príjem dát z EuroBird 9A je potrebné mať ofsetovú parabolickú anténu s apertúrou s priemerom 85 cm, ktorá musí byť vybavená nízkošumovým konvektorom LNB.
  4. Signál z konvektora je ďalej vedení do DVB-S. DVB-S tuner je zabudovaný v Počítači 1 vo forme PCI karty.
  5. Dáta v Počítači 1 sú dešifrované pomocou USB EKU (EUMETCast Key Unit) a v komprimovanom formáte ukladané na jeho pevný disk. Tento formát neumožňuje použite týchto dát.
  6. Dáta z Počítača 1 sú prostredníctvom siete LAN vedené do Počítača 2. Počítač 2 je vybavení xrit2pic algoritmom, ktorý dekóduje prijaté komprimované dáta.
    Celý postup vedenia dát z družice MSG do výslednej podoby na počítači je zobrazený na Obr. 8. Pri tomto postupe sú použité dva počítače. Jeden prijímací a druhý dekódovací. Je to z dôvodu výpadkov Počítača 1. Tieto výpadky, najmä prijatých dát, nastali pri súčasnom prijímaní dát z družice a ich následnom dekódovaní algoritmom xrit2pic. Výsledné snímky z počítača 1 boli tiež nepoužiteľné. Preto bol pridaný Počítač 2 a tým sa aj uvoľnila pamäť RAM na počítači 1 pre ukladanie dát.



Obr. 8 Postup prenosu údajov z MSG do PC - vlastné spracovanie



    Interpretácia družicových snímkov

   V tejto podkapitole som sa zameral hlavne na interpretáciu družicových snimkov, ktoré môžeme nájsť na stránka EUMETSATu. Aktuálne snímky sú zobrazované v rôznych farebných prevedenia, ktoré vznikajú kombináciami jednotlivých kanálov rádiometra. V tejto časti popisujem jednotlivé možné kombinácie kanálov a na získaných snímkach popisujem niektoré pozorované javy. V závere som sa venoval rozoznávaniu sopečného popola zo snímkov, pretože ten môže v leteckej doprave spôsobiť veľké škody.
   Identifikácia jednotlivých mrakov alebo ich prvkov je nemožná, ak ich veľkosti sú menšie než rozlíšenie kamery. Dekódovanie do značnej miery závisí na kontraste a jase skenovaných prvkov. Kontrast je rozdiel v jase medzi dvoma susednými detailmi, alebo medzi určenou informáciu a jeho pozadím. Kontrast predstavuje určité obmedzenia v obraze dekódovania. Hlavné ťažkosti vznikajú ak sú mraky zobrazované na pozadí snehovej pokrývky, alebo ak mraky v hornej atmosfére sú zobrazované na pozadí oblačnosti v nižšej atmosfére.
   Na pozadí zemského povrchu je často ťažké rozlíšiť (dekódovať) tenký cirrus, v porovnaní s pozadím morskej hladiny, pretože zemský povrch je o niečo jasnejší, ako more. Vzhľadom k tomu, že oblasti malých rozptýlených buniek mrakov, ktoré sú veľkosťou menšie ako je rozlíšenie fotoaparátu, je niekedy veľmi ťažké alebo dokonca nemožné vidieť na pozadí zemského povrchu.
   Jas detailov zobrazovaných na obrázku, je dôležitý pri charakteristike dekódovania informácií. Oblasti na snímkach líšiace sa v jasnosti môžeme klasifikovať takto:
  1. najtmavšie plochy - priestor nad obzorom;
  2. tmavé oblasti - oceány, nezamrznute rieky, jazera;
  3. tmavo šedé oblasti - oblasti kontinentu, najmä ak sú pokryté lesmi alebo inou vegetáciu;
  4. svetlé šedé oblasti - riedke mraky, malé roztrúsené bunky oblačnosti, piesok a púšte, sneh a ľad;
  5. biele oblasti - oblaky strednej vertikálnej hrúbke vrstvy;
  6. veľmi biele regióny - husté mraky veľkej vertikálnej hrúbke vrstvy, najmä veľké kopovité mraky.



Obr. 9 Snímka zobrazená v bielej, čiernej farbe a odtieňoch sivej


   Komprimované dáta z rádiometra SEVIRI dokážeme dekomprimovať pomocou už spomínaného algoritmu xrit2pic. Tento algoritmus jednotlivé dáta dekomprimuje a poskladá do výsledného obrazu. Výsledkom je vždy obrázok uložený vo formáte jpg. Zem je snímkovaná v 12 spektrálnych pásmach. Tieto pásma nám umožňujú získať informácie na základe svojich radiačných, absorpčných vlastností. Kombináciami týchto kanálov získame však ešte lepšie informácie o atmosfére ale aj zemskom povrchu. Tieto kombinácie kanálov nazývame RGB kompozície. RGB kompozícia je tvorená kombináciou kanálov, kde každý kanál je zobrazení nejakým z troch odtieňov farieb:
  • R (red) – červená
  • G (green) – zelená
  • B (blue) – modrá
To znamená ak kanál 3 bude zobrazení napríklad v červenej farbe, kanál 2 zelenej farbe a kanál 1 modrej farbe, výsledkom bude viacfarebný snímok nazývaný RGB kompozícia.



Obr. 10 RGB kompozícia 1


   Na snímky (Obr. 10) môžeme vidieť kombináciu troch kanálov SEVIRI (VIS 0,6, VIS 0,8 a IR 1,6). Pre režim v denných hodinách sú vybraté snímky s vysokým rozlíšením, iba tieto 3 kanály. Vznikne nám snímok v nepravých farbách.
  • kanál VIS 0,6 – modrá farba
  • kanál VIS 0,8 – zelená farba
  • kanál IR 1,6 – červená farba
V RGB kompozícii sa sneh objaví v zelenomodrej farbe.



Obr. 11 Kombinácia RGB farieb



Obr. 12 RGB kompozícia 2


   Na tejto snímke (Obr. 11) môžeme tiež vidieť kombináciu troch kanálov SEVIRI (IR 3,9, IR 10,8, IR 12,0). Pre režim v nočných hodinách na snímače VIS 0,6 a VIS 0,8 nedopadá svetlo odrazené od Zeme, používame farebné mapovanie pre nočnú detekciu hmly.
  • kanál IR 3,9 – zelená farba
  • kanál IR 10,8 – rôzne váhy jednotlivých farieb
  • kanál IR 12,0 – červená farba



Obr. 13 Kombinácia RGB farieb


V RGB kompozícii sa hmla objaví v svetlo zelenej farbe.
Pre RGB snímky platí pravidlo:
  • tmavou farbou je zobrazená malá energia
  • svetlou farbou je zobrazená veľká energia
  • čiernou farbou je zobrazená neprítomnosť energie
  • intenzívnou farbou je zobrazená maximálna energia.
Energia = ekvivalentná radiačná teplota alebo Albedo.
   Zafarbenie výslednej RGB kompozície závisí od fyzikálnych vlastností zvolených kanálov. Ďalej to závisí od zvolenej kombinácie kanálov a priradení farby jednotlivých kanálom. Dôležité je aj nastavenie intervalov intenzity signálov zo zvolených kanálov. Možné RGB kompozície sú zobrazené v nasledujúcej tabuľke.


Tab. 4 RGB kompozície



RGB Kompozícia

Aplikácia

Čas

RGB 03, 02, 01

Vegetácia, Sneh, Dym, Prach, Hmla

Deň

RGB 02,04r, 09

Mraky, Prúdenie, Sneh, Hmla, Požiare

Deň

RGB 02, 03, 04r

Sneh, Hmla

Deň

RGB 05-06, 04-09, 03-01

Silné prúdenie

Deň

RGB 10-09, 09-04, 09

Mraky, hmla, kondenzačné stopy

Noc

RGB 10-09, 09-07, 09

Prach, Riedke mraky, kondenzačné stopy

Deň a Noc

RGB 05-06, 08-09, 05

Silné cyklóny, prúdy a PV analýzy

Deň a Noc



    RGB kompozície

    Kompozícia Vzduchové hmoty

   RGB snímok vzduchových hmôt sa skladá z dát z kombinácie SEVIRI WV6.2, WV7.3, IR9.7 a IR10.8 kanálov. Snímok je získaný na základe údajov z infračerveného a kanála a kanála vodných pár z Meteosatu druhej generácie. Je navrhnutý a vyladený pre sledovanie vývoja charakteru vzduchových hmôt, poskytuje informácie o polohe tryskového prúdenia, o oblastiach subsidencie suchého stratosférického vzduchu do vlhkejšej troposféry. V červenej časti vidíme rozdiel kanálov WV 6.2 a WV 7.3, v zelenej časti vidíme rozdiel kanálov IR 9.7 a IR 10.8, v modrej časti vidíme kanál WV 6.2.



Obr. 14 RGB kompozícia Vzduchové hmoty



    Kompozícia Nebezpečné búrky

   Snímok je špeciálnou kombináciou WV 6.2 - WV 7.3 (červená), IR 3.9 - IR 10.8 (zelená) a NIR 1.6 - VIS 0.6 (modrá). Tento snímok slúži na identifikáciu prítomnosti veľmi drobných kryštálikov v hornej hranici búrkovej oblačnosti ( IR3.9-IR10.8), ktoré sú zobrazene v tejto schéme na zeleno. Ich prítomnosť spravidla svedči o veľmi silných vzostupných pohyboch vnútri búrky, a je teda nepriamym indikátorom možnej nebezpečnosti búrky. Silné búrky sa v tejto farebnú schéme objavia v jasne žltej farbe. Rozdielne žiarenie medzi kanálmi NIR1.6 a VIS0.6 v schéme predstavuje absorpciu ľadových kryštálikov zobrazenú modrou farbou.



Obr. 15 RGB kompozícia Nebezpečné búrky



    Kompozícia Denná mikrofyzika

   RGB snímok dennej mikrofyziky sa skladá z kombinácie dát SEVIRI VIS 0,8, IR 3,9 a IR 10,8. VIS 0.8 odraz v červenej farbe približuje vysokú oblačnosť a množstvo vody a ľadu obsiahnutých v oblačnosti, IR3.9 slnečný odraz v zelenej farbe je kvalitatívne meradlo pre veľkosť častíc mračien a fázy oblačných častíc, a IR10.8 predstavuje vodnú hladinu, ktorá je zobrazená modro. Táto farebná schéma je užitočná pre analýzu mračien, prúdenia vzduchu, hmly, snehu a požiarov. V tejto farebnej schéme sa mraky, ktoré nie sú zrážkové sa javia ako biele, pretože kvapky mrakov sú malé, zatiaľ čo veľké kvapky, ktoré sú typické pre zrážkové mraky sa javia ako ružové, nízka oblačnosť je zobrazená v odtieňoch svetlo zelenej. Ochladene vodné mračná sa javia viac žlté, pretože nižšia teplota ovplyvňuje modrú zložku. Studené a husté mraky sú zložené z veľkých ľadových častíc, napr. vrchol CB mračien (Cumulonimbus Clouds), sú červené. Vysoká oblačnosť s malými ľadovými časticami v blízkosti ich vrcholov sa zobrazia oranžovo.



Obr. 16 RGB kompozícia Denná mikrofyzika



    Kompozícia Prach

   RGB snímok prachu sa skladá z kombinácie dát SEVIRI IR8.7, IR10.8 a IR12.0 kanálov. Snímok je získaní na základe údajov z infračervených kanálov dát z Meteosatu druhej generácie satelitu. Je navrhnutý tak, aby sledoval vývoj prachových búrok v priebehu dňa aj v noci.



Obr. 17 RGB kompozícia Prach



    Kompozícia Prirodzené farby

   RGB snímok prirodzené farby využíva tri solárne kanály: VIS0.6, VIS0.8 a NIR1.6. V tejto farebnej schéme sa vegetácie javí zelenkavá pretože je veľká odrazivosť kanála VIS0.8 (zelený lúč) v porovnaní s NIR1.6 (červený lúč) a VIS0.6 (modrá lúč) kanálov. Vodné mraky s malými kvapôčkami majú veľkú odrazivosť na všetkých troch kanáloch, a preto sa javia v belavo, kým sneh a ľadové mraky sa javia v azúrovej, pretože ľad silne absorbuje v NIR1.6 (žiadny červený). Holý zem sa javí ako hnedá kvôli väčšej odrazivosti v NIR1.6 ako u VIS0.6 a oceán sa javí v čiernej farbe vzhľadom k nízkej odrazivosti vo všetkých troch kanáloch.



Obr. 18 RGB kompozícia Prirodzené farby



    Kompozícia Sneh

   RGB snímok sneh umožňuje detekciu hmly / nízkej oblačnosti a snehu počas dňa. Využíva dva kanály NIR1.6 a IR3.9. V tejto farebnej schéma sa sneh zdá byť červený kvôli silnej absorpcii v NIR1.6 a IR3.9 kanáloch, zatiaľ čo hmla / nízka oblačnosť sa javia ako belavé. Malé častice ľadovej oblačnosti sa javí oranžovo, zatiaľ čo veľké častice ľadovej oblačnosti sa javia s väčšími červenými zložkami. Sneh na zemi sa javí ako plná červená, pretože jeho zrná sú zvyčajne oveľa väčšie ako častice ľadovej oblačnosti.



Obr. 19 RGB kompozícia Sneh



    Kompozícia Hmla

   Hmla alebo nízka oblačnosť je kompozitný RGB snímok získaní na základe infračervených kanálov z dát Meteosatu druhej generácie satelitu. Je navrhnutý a vyladený pre sledovanie vývoja nočných hmiel a nízkych vrstiev oblakov. Ďalej zobrazuje požiare, hranice nízkej vlhkosti a klasifikácie oblačnosti všeobecne. Je potrebné poznamenať, že táto kompozícia je pre nočné podmienky, jej použitie počas dňa je veľmi obmedzená. RGB snímok hmly sa skladá z kombinácie dát SEVIRI IR 3.9, IR 10.8 a IR 12.0 kanálov.



Obr. 20 RGB kompozícia Hmla



    Kompozícia Popol

   RGB kompozícia Popol je vytvorená na základe infračervených kanálov z dát Meteosatu druhej generácie satelitov. Je určená pre detekciu popola a oxidu siričitého (SO2) zo sopečných erupcií, ktoré môžu byť použité pre poskytovanie varovaní leteckých úradov. Kompozícia RGB Popol sa skladá z kombinácie dát z kanálov SEVIRI IR 8.7, IR 10.8 a IR 12.0.



    Sopečný popol

   Na základe neustáleho pokroku v oblasti satelitnej technológie je k dispozícii široký výber rôznych obrázkov. Avšak detekcia sopečných oblakov popola, najmä ich výška a koncentrácia, môže byť veľmi náročná. Ak sú mraky popola zamaskované inými mrakmi, detekcia je ešte zložitejšie. Erupcia sopky Eyafjallajökull 14. apríla produkovala obrovské množstvo vodnej pary, ktorá nakoniec skončila ako ľadový mrak. Preto na začiatku bol popol maskovaný ľadovými mrakmi. Po niekoľkých hodinách ľad sublimoval, zatiaľ čo popol zostal.
   Ďalej je potrebné poznamenať, že satelity môžu detekovať iba mraky s určitou koncentráciou popola. To znamená, že inde môže byť prítomná už nižšia koncentrácia popola. Preto oblasti, ktoré sú v blízkosti viditeľných mrakov popola môžu byť tiež ovplyvnené popolom a je potrebné zvážiť, pre ktoré miesta sú vydávané varovania. Avšak najlepšie zhodnotenie sopečných mračien popola zahŕňa pozorné sledovanie satelitných snímkov a hlbokú znalosť príslušného rozptylového modelu. Hlavnou výhodou satelitných údajov je ich široké priestorové a časové pokrytie, ktoré umožňuje detekciu ťažkých poveternostných udalostí oproti ostatným zdrojom.


   Detekciu sopečného popola umožňuje:
  1. Kanál 12 (HRV)
       MSG HRV kanál pracuje v horizontálnom rozlíšením 1 km a jeho schopnosť rozlišovať malý rozsah javov môže byť tiež prínosom pri pozorovaní mrakov sopečného popola. Je však potrebné poznamenať, že sledovanie veľmi tenkých mrakov popola s HRV obrázkov môže byť ťažké. Detekcia závisí na odrazivosti podkladového povrchu a je jednoduchšie ponad oceány. Dôležitú úlohu má aj uhol slnka, v ranných hodinách je väčšia šanca na detekciu mrakov popola kvôli silnému rozptylu slnečného žiarenia na časticiach popola. Detekcia oblaku sopečného popola z HRV obrázkov je možná len za určitých podmienok a mala by byť považovaná za dodatočný nástroj.
  2. Kanál 4 (IR 3.9)
       Kanál IR 3.9 sa skladá z 2 rôznych častí: solárne komponenty (počas dňa) a termálne komponenty (počas dňa aj noci). Pre detekciu sopečného popola odrazená časť zo solárneho komponentu môže byť veľmi užitočná, pretože je veľmi citlivá na fázy mrakov a veľkosti častíc. Vzhľadom k detekcii sopečného popola existujú rozdiely v odraze častíc popola a častíc mrakov. Avšak nie vždy nám obrázok ukáže všetko o mrakoch sopečného popola, dá nám len náznak, kde by sa mrak popola mal nachádzať.
  3. Kanály IR12.0 a IR10.8
        Mraky sopečného popola sa skladajú zo silikátových častíc, z oxidu hlinitého, zo siranou železnatých a ďalších stopových prvkov. Výsledky analýz zložiek oblaku sopečného popola. ukázali pozoruhodne vysokú koncentráciu silikátových častíc asi 58 percent. Preto sú pre sledovanie mraku popola použité kanály, ktoré sú citlivé na túto vlastnosť. Mraky sopečného popola, ktoré obsahujú vysokú koncentráciu silikátových častíc môžu byť detekované pomocou jasu teplotných rozdielov medzi kanálmi IR12.0 a IR10.8. Tento rozdiel sa vynára ako účinok nižšej vyžarovanej schopnosti silikátových častíc na 10,8 μm ako na 12,0 μm. Vyplývajúci jas teplotných rozdielov oblakov sopečného popola bude pozitívny. V kontraste s jasom teplotných rozdielov pre ľadové mraky, ktorý bude negatívny vzhľadom k nižšej vyžarovanej schopnosti v 12,0 μm. Táto metóda umožňuje rozlišovať medzi mrakmi sopečného popola a ľadovými mraky.
  4. Kanály IR10.8 a IR8.7
       Pri erupcii sa okrem mrakov sopečného popola uvoľní do ovzdušia tiež obrovské množstvo plynov. Sopečný oblak s vysokou koncentráciou oxidu siričitého môže byť detekovaný pomocou kanála IR 8.7. Všeobecne mraky oxidu siričitého sú viac jasné na kanály IR 10.8 ako na IR 8.7 kvôli vyššej absorpcii v spektrálnych rozsahoch 8.7 μm. V dôsledku toho jas teplotných rozdielov kanálov IR 10.8 a IR 8.7 pre mraky oxidu siričitého je pozitívny. Mraky ľadu sú viac jasné na kanály IR 8.7 ako na IR 10.8. Výsledok pozorovania jasu teplotných rozdielov ľadových mrakov bude negatívny. Táto skutočnosť umožňuje jasne rozlišovať medzi mrakmi oxidu siričitého a ľadovými mrakmi.
   RGB Kompozícia Prach je vhodná nielen na detekciu saharskej piesočnej búrky, ale môže tiež pomôcť odhaliť mraky sopečného popola. V tejto kompozícii RGB Prach, sú mraky sopečného popola zobrazené v oranžovej farbe.



Obr. 21 Zobrazenie sopečného popola v RGB kompozícii Prach


   V nasledujúcej RGB kompozícií Popol sa mraky objavujú v žltkastej farbe. Hlavným prínosom kompozície RGB Popola je, že zobrazuje tri hlavné sopečne zložky (popol, oxid siričitý a ľadové kryštály) v rôznych farbách, čo umožňuje užívateľom sledovať pohyb týchto zložiek od miesta erupcie.



Obr. 22 Zobrazenie sopečného popola v RGB kompozícii Popol


   Extrémne poveternostné podmienky, ako námrazy, turbulencie alebo prítomnosť sopečného popola môžu priviesť navigáciu lietadiel do veľkých ťažkostí. Ak lietadlo narazí na tieto javy, stáva sa navigácia veľmi náročná. Preto je potrebné zabezpečiť správne posúdenie poveternostných vplyvov letovým podmienkam. Hlavný zámer je posúdenie potenciálne nebezpečných meteorologických javov, ako je sopečný popol. Sopečné erupcie sú známe tým, že majú veľký vplyv na životné prostredie, a preto predstavovali veľkú hrozbu pre ľudí v celej histórii. Napríklad erupcia islandskej sopky Eyjafjallajökull v apríli 2010 viedla k obrovským škodám. V rokoch 1975 a 1994 bolo viac ako 80 prúdových lietadiel poškodených v dôsledku neplánovaných stretnutí s mrakmi sopečného popola. Pri siedmych týchto stretoch došlo počas letu k výpadku prúdových motorov. Následná analýza poškodených dielov motora odhalila významný vplyv sopečného popola na letové podmienky. Sopečný popol nespôsobil vonkajšie poškodenie motora, ale mal vplyv na vnútorné časti motora a následne došlo k jeho zlyhaniu. Toto bolo spojené tým, že sopečný popol sa vplyvom teploty tryskového motora roztaví a prilepí sa k lopatkám turbíny. Okrem nákladov na opravu môže sopečný popol spôsobiť obrovskú finančnú stratu ak je obmedzená letecká doprava. Najväčšia erupcia sopky Eyjafjallajökull zo dňa 14. apríla 2010 mala značný vplyv na riadenie letovej prevádzky v Európe. Od 15. do 21. apríla bolo zrušených asi 100.000 letov. Ekonomické správy očakávali finančnú stratu asi 4 miliardy EUR. Tieto škody závisia od koncentrácie častíc popola a od výšky sopečného mraku. Avšak konkrétne posúdenie výšky mraku a koncentrácie popola môže byť veľmi náročné. Pre tento účel sú potrebné satelitné snímky ,ako aj numerické disperzné modely. Niet pochýb o tom, že s lepšou znalosťou pri sledovaní a predpovedaní mrakov sopečného popola, môže byť zvládnutie podobnej situácie ľahšie ako bolo v roku 2010.
  • prečítané 10598x