Кіріспе
Жер атмосферасының жағдайын тіркеуге арналған спутник түрі – Жерді бақылайтын спутниктердің бір түрі, ол негізінен Жердің ауа райын және климатын мониторингілеу үшін қолданылады. Спутниктер полярлық орбиталық (Жердің барлық бөлігін асинхронды түрде қамтитын) немесе геостационарлық (экватордағы бір нүктеде тұрақты түрде орналасқан) болуы мүмкін. Көбінесе дауылдық жүйелердің және басқа да бұлт үлгілерінің қалыптасуын және қозғалысын анықтау үшін пайдаланылса да, метеорологиялық спутниктер қалалық шамдар, өрттер, ластанудың салдары, полярлық шамыраулар, құм және шаң дауылдары, қар жамылғысы, мұздың картасы, мұхит ағындарының шекаралары және энергия ағындары сияқты басқа да құбылыстарды анықтауға қабілетті. Ауа райы спутниктері арқылы қоршаған орта туралы басқа да ақпараттар жиналады. Спутниктік суреттер Сент-Хеленс тауының жанартау күлі мен Этна тауы сияқты басқа жанартаулардың белсенділігін бақылауға көмектесті. АҚШ-тың батыс штаттары Колорадо және Ютадағы өрттерден шыққан түтін де мониторингтелді. Эль-Ниньо және оның ауа райына тигізетін әсері спутниктік суреттер арқылы күн сайын бақыланады. Антарктикадағы озон қабаты метеорологиялық спутник деректерінің негізінде картаға түсірілді. АҚШ, Еуропа, Үндістан, Қытай, Ресей және Жапонияға тиесілі ауа райы спутниктері бірлесіп, әлемдік ауа райын үздіксіз бақылау үшін қажетті мәліметтерді ұсынып келеді.
A weather satellite or meteorological satellite is a type of Earth observation satellite that is primarily used to monitor the weather and climate of the Earth. Satellites can be polar orbiting (covering the entire Earth asynchronously), or geostationary (hovering over the same spot on the equator). While primarily used to detect the development and movement of storm systems and other cloud patterns, meteorological satellites can also detect other phenomena such as city lights, fires, effects of pollution, auroras, sand and dust storms, snow cover, ice mapping, boundaries of ocean currents, and energy flows. Other types of environmental information are collected using weather satellites. Weather satellite images helped in monitoring the volcanic ash cloud from Mount St. Helens and activity from other volcanoes such as Mount Etna. Smoke from fires in the western United States such as Colorado and Utah have also been monitored. El Niño and its effects on weather are monitored daily from satellite images. The Antarctic ozone hole is mapped from weather satellite data. Collectively, weather satellites flown by the U. S., Europe, India, China, Russia, and Japan provide nearly continuous observations for a global weather watch.
Тарих
1946 жылға қарай, ауа райын бақылау үшін орбитада камералар орнату туралы идея қалыптаса бастады. Бұл, деректерді бақылаудың жеткіліксіздігімен және ракеталардағы бұлтты камераларды пайдаланудың қымбаттылығымен байланысты болды. 1958 жылға таман TIROS және Vanguard (Армияның Сигнал корпусы әзірлеген) спутниктерінің алғашқы үлгілері жасалды. 1959 жылдың 17 ақпанында бірінші ауа райы спутнигі – Vanguard 2 ұшырылды. Ол бұлт жамылғысы мен қарсылықты өлшеуге арналған еді, бірақ бұрылу осінің нашарлығы және эллипстік орбитасы оның пайдалы деректерді көптеп жинауын қамтамасыз етпеді. Explorer VI және VII спутниктерінде де ауа райына қатысты эксперименттер жүргізілді. TIROS 78 күн бойы жұмыс істеді және Vanguard 2-ден әлдеқайда табысты болды. TIROS Nimbus бағдарламасының негізін қалады, оның технологиясы мен нәтижелері NASA және NOAA ұшырған Жерді бақылайтын спутниктердің көпшілігі үшін мұра болып табылады. 1969 жылы Nimbus 3 спутнигімен бастап, тропосфералық бағана арқылы температура туралы ақпарат Атлантиканың шығысынан және Тынық мұхитының көп бөлігінен спутниктер арқылы алына бастады, бұл ауа райы болжамын айтарлықтай жақсартты. ESSA және NOAA полярлық орбиталық спутниктері 1960 жылдардың соңынан бастап осы үрдіске қосылды. Геостационарлық спутниктер 1960 жылдардың соңы мен 1970 жылдардың басында ATS және SMS серияларымен басталып, 1970 жылдан бастап GOES сериясымен жалғасты. QuikScat және TRMM сияқты полярлық орбиталық спутниктер 1970 жылдардың соңында мұхит бетіне жақын жел туралы ақпаратты жіберуді бастады, бұл радиолокациялық дисплейлерге ұқсас микротолқынды суреттер арқылы 2000 және 2010 жылдары тропиктік циклонның күші, қарқындылығы және орналасқан жерін анықтауды жақсартты. NOAA-ға тиесілі DSCOVR спутнигі 2015 жылы ұшырылды және ғарыш ауа райын бақылай және болжай алатын алғашқы терең ғарыш спутнигі болды. Ол күн желдері және геомагниттік дауылдар сияқты қауіпті ауа райын анықтай алады. Бұл 2010 жылдардың соңынан бері адамзатқа ғарыш ауа райын дәл және алдын ала болжау мүмкіндігін берді. Еуропада алғашқы геостационарлық метеорологиялық спутник – Meteosat 1, 1977 жылы Delta ұшыру құралымен ұшырылды. Спутниктің цилиндрлік пішіні, диаметрі 2,1 м, биіктігі 3,2 м, айналу жылдамдығы шамамен 100 айналымға жетеді және Meteosat көрінетін және инфрақызыл бейнелеу құралымен (MVIRI) жабдықталған. Бірінен соң бірі келесі буынның метеосаты француздық Гвианадағы Курудан Еуропалық Ариан 4 ұшыру құралдарымен 1997 жылдан 2017 жылға дейін деректерді алған Meteosat 7-ге дейін ұшырылды, оларды бастапқыда Еуропалық ғарыш агенттігі, ал кейін 1995 жылдан бастап Еуропалық метеорологиялық спутниктерді пайдалану ұйымы (EUMETSAT) қолданды. Meteosat екінші буыны (MSG) спутниктері де айналмалы түрде тұрақтандырылған, бірақ физикалық жағынан үлкен және бірінші буынға қарағанда екі есе ауыр, Еуропалық өнеркәсіппен және EUMETSAT-пен бірлесе отырып, Еуропалық ғарыш өнеркәсібімен бірлесе әзірленді, олар спутниктерді Германияның Дармштадт қаласындағы штаб-пәтерінен басқарады, осы тәсіл барлық келесі еуропалық метеорологиялық спутниктер үшін сақталды. Meteosat 8, алғашқы MSG спутнигі 2002 жылы Ariane 5 ұшыру құралымен іске қосылды, ол Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) және Geostationary Earth Radiation Budget (GERB) құралдарын, сондай-ақ COSPAS SARSAT іздеу және құтқару (SAR) және ARGOS деректерді жинау платформасын (DCP) қолдау үшін пайдалы жүктермен бірге тасымалдады. SEVIRI MVIRI-ге қарағанда спектрлік арналардың санын арттырды және Жердің толық дискісін екі есе жылдамдықпен суретке түсірді. Meteosat 9 2005 жылы Meteosat 8-ді толықтыру үшін ұшырылды, екінші жұп Meteosat 10 және Meteosat 11-ден тұрады, олар 2012 және 2015 жылдары іске қосылды. Meteosat үшінші буыны (MTG) бағдарламасы 2022 жылы өзінің алғашқы спутнигін ұшырды және ауа райын болжау және климатты бақылау үшін деректерді жинау миссиясын қолдауда алдыңғыларына қарағанда бірқатар өзгерістерді көрсетті. MTG спутниктері үш осьті емес, айналмалы түрде тұрақтандырылған, бұл спутник пен құралдарды жобалауда үлкен икемділік береді. MTG жүйесінде бір спутниктік шинаны бөлісетін жеке Imager және Sounder спутниктік модельдері бар, операциялық конфигурацияны құрайтын үш спутниктің негізгі желісі - екі Imager және бір Sounder. Суретке түсіру спутниктері Flexible Combined Imager (FCI) құрылғысын алып жүреді, MVIRI және SEVIRI бұдан да үлкен ажыратылымдықты және спектрлік қамтуды қамтамасыз етеді, әр он минут сайын Жердің толық дискісін сканерлейді, сондай-ақ жаңа Lightning Imager (LI) жүгі де бар. Зондтау спутниктерінде инфрақызыл Зондтаушы (IRS) және Күлгін, көрінетін және жақын инфрақызыл (UVN) құралдары бар. UVN Еуропалық комиссияның Коперник бағдарламасының бөлігі болып табылады және Sentinel 4 миссиясын орындайды, ол Еуропадағы ауаның сапасын, газдар мен аэрозольдерді жоғары кеңістіктік ажыратылыммен сағаттық бақылауға арналған. Екі МТГ спутнигі - бір Imager және бір Sounder - Батыс Африкадағы 0 градус геостационарлық орналасқан жерден Атлант мұхитының шығысын, Еуропаны, Африканы және Таяу Шығысты бақылау үшін жақын жерде орналасқан, ал екінші суретке түсіру спутнигі Еуропа бойынша жылдам сканерлеу миссиясын орындау үшін 9,5 градус шығысқа орналасқан. MTG ARGOS және іздеу-құтқару миссияларына қолдау көрсетуді жалғастыруда. MTG I1 соңғы Ariane 5 ұшыруларының бірінде ұшырылды, ал келесі спутниктер Ariane 6 қызметке енген кезде ұшырылатын болады. 2006 жылы алғашқы еуропалық төмен орбиталық метеорологиялық спутник Metop A, 817 км биіктіктегі күнмен синхронды орбитаға Baikonur ғарыш айлағынан Soyuz ұшыру құралымен ұшырылды. Бұл операциялық спутник – Eumetsat Polar System (EPS) кеңістік сегментін құрайды, ESA-ның ERS және Envisat экспериментальдық миссияларының мұрагері болып табылады және алты жылдық интервалмен Metop B және Metop C спутниктерімен толықтырылды – соңғысы француздық Гвианадан "Еуропаландырылған" Soyuz арқылы ұшырылды. Олардың әрқайсысы кескіштер мен зондтардан бастап, шашырау өлшегіші мен радио оккультация құралына дейін әртүрлі пассивті және активті құралдардың он үш түрлі дизайнын қамтиды. Спутниктің қызметтік модулі SPOT 5 шинасына негіделген, ал пайдалы жүк жиынтығы EUMETSAT және NOAA арасындағы Initial Joint Polar System келісімі бойынша Еуропа мен АҚШ-тан алынған жаңа және мұрагер құралдардың комбинациясы болып табылады. Metop спутниктерінің екінші буыны (Metop SG) дамып келеді және алғашқы спутниктің 2025 жылы ұшырылуы күтілуде. MTG сияқты, Metop SG да Ariane 6-да ұшырылады және EPS миссиясын жалғастыру үшін бірінші буын спутниктерін ауыстыру үшін жұптастырылған екі спутниктік модельдерден тұрады.
Көрінетін спектр
Жергілікті күндізгі уақытта ауа райы спутниктерінен алынған көрінетін жарық суреттерін кез келген адам оңай түсіндіре алады, себебі бұлттар, фронттар мен тропикалық дауылдар сияқты бұлт жүйелері, көлдер, ормандар, таулар, қар мен мұз, өрттер, сондай-ақ түтін, смог, шаң және тұман сияқты ластанулар анық көрінеді. Бұлттардың пішіні, орналасуы және бір-бірінен кейін түсірілген суреттердегі қозғалысы арқылы желдің де бағытын анықтауға болады.
Инфрақызыл спектр
Сканды радиометрлер деп аталатын сенсорлар термо және инфрақызыл суреттерді жазады, бұл оқымысты талдаушыға бұлттардың биіктігі мен түрлерін анықтауға, жер және су бетінің температурасын есептеуге, сондай-ақ мұхит бетіндегі ерекшеліктерді табуға мүмкіндік береді. Инфрақызыл спутниктік суреттер тропикалық циклонның айқын көзге көрінетін орталық бөлігі үшін Дворак әдісін пайдаланып, оның қарқындылығын анықтау үшін жылы орталықтың және айналасындағы суық бұлттардың температурасы арасындағы айырманы қолдануға тиімді. (Суық бұлттар көбінесе күшті дауылды көрсетеді). Инфрақызыл суреттер мұхит айналымдарын және бұрқанақтарды көрсетеді, сондай-ақ теңіз тасымалдау саласы үшін құнды Gulf Stream сияқты ағымдарды картаға түсіреді. Балықшылар мен фермерлер егістіктерін қыраудан қорғау немесе теңізден аулау көлемін арттыру үшін жер мен су температурасын білуге қызығушылық танытады. Тіпті Эль-Ниньо құбылысын да анықтауға болады. Түсті цифрлық әдістерді қолдану арқылы сұр түсті жылулық суреттерді қажетті ақпаратты оңай анықтау үшін түрлі түске өзгертуге болады.
Түрлері
Әрбір метеорологиялық спутник екі түрлі орбита класының бірін пайдалану үшін жасалған: геостационарлық және полярлық орбиталар.
Геостационарлық
Геостационарлық ауа райы спутниктері Жерді экватордың үстінен 35 880 км (22 300 миль) биіктікте айналып жүреді. Осы орбитаның арқасында олар айналып тұрған Жерге қатысты тұрақты болып қалады, соның салдарынан көрінетін жарық және инфрақызыл сенсорларымен төмендегі бүкіл жарты шардың суреттерін немесе бейнелерін үздіріссіз жаза алады немесе жібере алады. Жаңалықтар құралдары күнделікті ауа райы болжамдарында геостационарлық суреттерді жеке суреттер түрінде немесе бейне тізбектері ретінде пайдаланады. Бұл мәліметтер www.noaa.gov сайтындағы қалалық болжамдар беттерінде қолжетімді (мысалы, Даллас, Техас штаты). Бірнеше геостационарлық метеорологиялық ғарыш кемелері қолданыста. АҚШ-тың GOES сериясының үш спутнигі жұмыс істейді: GOES 15, GOES 16 және GOES 17. GOES 16 және 17 Атлант және Тынық мұхиттарының үстінде сәйкесінше тұрақты орналасқан. GOES 15 2019 жылдың шілде айының басында қызметтен шығарылды. Бұрын Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқармаға (NOAA) тиесілі болған GOES 13 спутнигі 2019 жылы АҚШ Ғарыш күштеріне берілді және EWS G1 деп қайта аталды; бұл АҚШ Қорғаныс министрлігіне тиесілі және басқарылатын алғашқы геостационарлық ауа райы спутнигі болды. Ресейдің жаңа буын ауа райы спутнигі "Электро-Л №1" Үнді мұхитының үстінде 76°E координатасында жұмыс істейді. Жапондықтардың MTSAT 2 спутнигі Тынық мұхитының орталық бөлігінде 145°E координатасында, ал Himawari 8 спутнигі 140°E координатасында орналасқан. Еуропалықтардың төрт спутнигі қолданыста: Meteosat 8 (3.5°W) және Meteosat 9 (0°) Атлант мұхитының үстінде, ал Meteosat 6 (63°E) және Meteosat 7 (57.5°E) Үнді мұхитының үстінде орналасқан. Қытай қазіргі уақытта төрт Fengyun (风云) геостационарлық спутнигін пайдаланады (FY 2E 86.5°E, FY 2F 123.5°E, FY 2G 105°E және FY 4A 104.5°E). Үндістан да метеорологиялық мақсаттар үшін құралдарды тасымалдайтын INSAT деп аталатын геостационарлық спутниктерді пайдаланады.
Полярлық орбитада
Полярлық орбиталық ауа-райы спутниктері Жерді әдетте 850 км (530 миль) биіктікте солтүстікке қарай (немесе керісінше) жолмен айналып, үздіксіз ұшу кезінде полюстерден өтеді. Полярлық орбитадағы ауа-райы спутниктері күнмен синхронды орбитада болады, яғни олар Жердегі кез келген нүктені бақылай алады және дерлік тұрақты жергілікті уақыт бойынша күн сайын әр орналасқан жерді шамамен бірдей жарық жағдайында екі рет көреді. Полярлық орбиталық ауа-райы спутниктері Жерге жақын болғандықтан, геостационарлық спутниктерге қарағанда әлдеқайда жоғары ажыратымдылықты ұсынады. АҚШ-та NOAA сериялы полярлық орбиталық метеорологиялық спутниктері бар, қазіргі таңда NOAA 15, NOAA 18 және NOAA 19 (POES) және NOAA 20 (JPSS). Еуропада EUMETSAT басқаратын Metop A, Metop B және Metop C спутниктері бар. Ресейде "Метеор" және "РЕСУРС" сериялы спутниктері бар. Қытайда FY 3A, 3B және 3C спутниктері бар. Үндістанның да полярлық орбиталық спутниктері бар.
DMSP
АҚШ Қорғаныс министрлігінің метеорологиялық спутнигі (DMSP) үлкен мұнай танкерідей "кішкентай" нысандарды да анықтай алады. Орбитадағы барлық ауа райы спутниктерінің ішінде тек DMSP ғана түнгі уақытта визуалды режимде "көре алады". Түнгі визуалды сенсор арқылы ең таңғажайып суреттер түсірілді: қала жарықтары, жанартаулар, өрттер, молниялар, метеорлар, мұнай алаптарындағы жану, сондай-ақ Солтүстік және Оңтүстік шағылысулары (Aurora Borealis және Aurora Australis) осы 450 миль (724 км) биіктіктегі ғарыш аппаратының айдың аз жарығын сезетін сенсорымен тіркелді. Сонымен қатар, энергия тұтынуды және қалалардың өсуін бақылауға болады, себебі ірі және тіпті шағын қалалар, автомобиль жолдарының шамдары да көзге түседі. Бұл астрономдарға жарық ластануы туралы мәлімет береді. 1977 жылы Нью-Йорк қаласындағы қараңғылықты түнгі орбиталық DMSP ғарыш аппаратының бірі бейнеледі. Қала жарықтарын бақылаудан өзге, бұл суреттер өртті анықтау және оны бақылауда құтқарушыларға көмектеседі. Спутниктің күндіз де, түндіз де өртті көру қабілетінен бөлек, осы метеорологиялық спутниктердегі жылулық және инфрақызыл сканерлер жер астындағы, тұтанған ошақтарды анықтай алады. Өрт анықталғаннан кейін, сол метеорологиялық спутниктер отты қоздыруы немесе таратуы мүмкін жел туралы маңызды ақпаратты ұсынады. Осы ғарыштан түсірілген бұлттардың суреттері өрт сөндірушілерге жаңбыр қашан жауатынын хабарлайды. Ең әсерлі суреттердің бірі 1991 жылдың 23 ақпанында Ирак армиясы қашқанда қосқан 600 кувейттік мұнай өртін көрсетті. Түнгі суреттерде үлкен жарқын шығарылымдар көрінді, олардың күші халық тығыз қоныстанған аймақтардың жарығынан әлдеқайда басып өтті. Өрттер көп мөлшерде мұнайды жалмап кетті, соңғысы 1991 жылдың 6 қарашасында сөндірілді.
Қолданылуы
Қарлы алқаптарды бақылау, әсіресе Сьерра-Невадада, гидрологтарға АҚШ-тың батыс аймағындағы су бассейндері үшін маңызды болған қар қорының еруін қадағалауға көмектеседі. Бұл ақпарат АҚШ үкіметінің барлық агенттіктерінің қолданыстағы спутниктерінен (жергілікті, жердегі өлшемдерден басқа) алынады. Мұз жарықтары, мұз қабаттары мен айсбергтерді де метеорологиялық ғарыш кемелерінен табуға және қадағалауға болады. Тіпті табиғи немесе адамның салдарынан туған ластануды да анықтауға болады. Визуалды және инфрақызыл суреттер ластанудың осы аймақтардағы әсерін бүкіл Жер бетінде көрсетеді. Ұшақтар мен ракеталардың ластануы, сондай-ақ конденсация іздері де байқалады. Ғарыштан алынған мұхит ағындары мен төменгі деңгейдегі жел туралы ақпарат мұхит мұнайының таралуын және қозғалысын болжауға көмектеседі. Көбінесе жазда Африканың Сахара шөлінен құм мен шаң Атлант мұхитының экваторлық аймақтарына желмен келіп түседі. GOES EAST суреттері метеорологтарға бұл құм бұлтын байқауға, қадағалауға және болжауға мүмкіндік береді. Құм бұлттары көру қабілетін төмендетіп, тыныс алу проблемаларын туғызумен қатар, тропиктік аймақтағы күн сәулесінің мөлшерін өзгерткендіктен, дауылдың қалыптасуын тежейді. Азия мен Қытайдағы басқа шаң дауылдары да жиі кездеседі және оларды байқау мен қадағалау оңай. Соңғы мысалдардың бірінде шаң Тынық мұхиты арқылы Солтүстік Америкаға жеткен. Әлемнің шалғай аймақтарында, жергілікті бақылаушылар аз болған жағдайларда, өрт бірнеше күн немесе апталар бойы бақылаусыз қалып, билік хабардар болмай тұрып үлкен аумақтарды жалмауы мүмкін. Ауа райы спутниктері мұндай жағдайларда құнды көмек көрсетеді. Түнгі суреттерде газ және мұнай өндіріс аймандарындағы өрттің салдары да көрінеді. Атмосфера температурасы мен ылғалдылығының профильдері 1969 жылдан бері ауа райы спутниктерімен жүргізіліп келеді.
Бейнелеусіз сенсорлар
Барлық ауа райы спутниктері тікелей суреттеуге арналған емес. Кейбір спутниктер зондтар болып табылады, олар бір уақытта бір пикселдің өлшемдерін алады. Оларда көлденең кеңістіктік ажыратымдылық жоқ, бірақ көбінесе атмосфераның тік қабаттарын анықтауға мүмкіндік береді. Спутниктің жер бетіндегі жолы бойынша алынған өлшемдер кейіннен карталар жасау үшін торға түсірілуі мүмкін.
Халықаралық реттеу
Халықаралық телекоммуникация одағының (ITU) мәліметінше, метеорологиялық спутниктік қызмет (сондай-ақ: метеорологиялық спутниктік радиобайланыс қызметі) – ITU Радио ережелерінің (RR) 1.52-бабына сәйкес – «метеорологиялық мақсаттардағы жерді зерттеу спутниктік қызметі» деп анықталады.