Метеорологические спутники: история и применение.

Введение

Тип спутника, предназначенного для регистрации состояния атмосферы Земли.

Погодный или метеорологический спутник – это тип спутника наблюдения за Землей, который в основном используется для мониторинга погоды и климата Земли. Спутники могут быть полярно-орбитальными (охватывающими всю Землю асинхронно) или геостационарными (зависающими над одной и той же точкой на экваторе). Хотя метеорологические спутники в основном используются для обнаружения развития и перемещения штормовых систем и других облачных образований, они также могут регистрировать другие явления, такие как огни городов, пожары, последствия загрязнения, полярные сияния, песчаные и пылевые бури, снежный покров, картирование льдов, границы океанических течений и потоки энергии. Другие виды информации об окружающей среде также собираются с помощью метеорологических спутников. Снимки, полученные с погодных спутников, помогли в мониторинге облака вулканического пепла от горы Сент-Хеленс и активности других вулканов, таких как гора Этна. Также ведется наблюдение за дымом от пожаров в западных штатах США, таких как Колорадо и Юта. Эль-Ниньо и его влияние на погоду ежедневно отслеживаются по спутниковым изображениям. Антарктическая озоновая дыра картографируется на основе данных метеорологических спутников. В совокупности метеорологические спутники, запущенные США, Европой, Индией, Китаем, Россией и Японией, обеспечивают почти непрерывное наблюдение за погодой во всем мире.

История

Еще в 1946 году разрабатывалась идея использования камер на орбите для наблюдения за погодой. Это было обусловлено недостаточным охватом наблюдений и высокой стоимостью использования облачных камер на ракетах. К 1958 году были созданы первые прототипы для TIROS и Vanguard (разработанные Корпусом связи Армии). Первый метеорологический спутник, Vanguard 2, был запущен 17 февраля 1959 года. Он предназначался для измерения облачного покрова и сопротивления, однако плохая ось вращения и эллиптическая орбита не позволили ему собрать значительное количество полезных данных. Спутники Explorer VI и VII также содержали эксперименты, связанные с погодой. TIROS проработал 78 дней и оказался гораздо более успешным, чем Vanguard 2. TIROS проложил путь для программы Nimbus, технологии и результаты которой стали основой для большинства спутников NASA и NOAA, запущенных впоследствии. Начиная со спутника Nimbus 3 в 1969 году, информация о температуре в тропосферном столбе стала собираться спутниками над восточной частью Атлантического океана и большей частью Тихого океана, что привело к значительному улучшению прогнозов погоды. За этим последовали полярные спутники ESSA и NOAA с конца 1960-х годов. Затем появились геостационарные спутники, начиная с серий ATS и SMS в конце 1960-х и начале 1970-х годов, а затем серия GOES с 1970-х годов. Полярные спутники, такие как QuikScat и TRMM, начали передавать информацию о ветре вблизи поверхности океана, начиная с конца 1970-х годов, с использованием микроволновых изображений, напоминающих радарные дисплеи, что значительно улучшило диагностику силы, интенсификации и местоположения тропических циклонов в 2000-х и 2010-х годах. Спутник DSCOVR, принадлежащий NOAA, был запущен в 2015 году и стал первым спутником дальнего космоса, способным наблюдать и прогнозировать космическую погоду. Он может обнаруживать потенциально опасные явления, такие как солнечный ветер и геомагнитные бури. Это дало человечеству возможность составлять точные и превентивные прогнозы космической погоды с конца 2010-х годов. В Европе первый геостационарный оперативный метеорологический спутник Meteosat, Meteosat 1, был запущен в 1977 году на ракете-носителе Delta. Спутник имел цилиндрическую конструкцию со стабилизацией вращением, диаметром 2,1 м и высотой 3,2 м, вращался со скоростью примерно 100 оборотов в минуту и нес прибор визуального и инфракрасного изображения Meteosat (MVIRI). Последовательно запускались спутники первого поколения Meteosat с европейских космодромов Ariane 4 в Куру (Французская Гвиана), вплоть до Meteosat 7, который собирал данные с 1997 по 2017 год, изначально управляемый Европейским космическим агентством, а затем, с 1995 года, Европейской организацией по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT). Спутники Meteosat второго поколения (MSG) также стабилизировались вращением, хотя физически они были больше и в два раза массивнее первого поколения, были разработаны ESA совместно с европейской промышленностью и EUMETSAT, которые затем управляют спутниками из своей штаб-квартиры в Дармштадте (Германия), используя тот же подход для всех последующих европейских метеорологических спутников. Meteosat 8, первый спутник MSG, был запущен в 2002 году на ракете-носителе Ariane 5, неся инструменты Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) и Geostationary Earth Radiation Budget (GERB), а также полезную нагрузку для поддержки миссий COSPAS SARSAT Search and Rescue (SAR) и платформы сбора данных ARGOS (DCP). SEVIRI обеспечил увеличение числа спектральных каналов по сравнению с MVIRI и сканировал весь земной диск в два раза быстрее. Meteosat 9 был запущен в дополнение к Meteosat 8 в 2005 году, а вторая пара, состоящая из Meteosat 10 и Meteosat 11, была запущена в 2012 и 2015 годах соответственно. Программа Meteosat третьего поколения (MTG) запустила свой первый спутник в 2022 году, внедрив ряд изменений по сравнению с предшественниками для поддержки своей миссии по сбору данных для прогнозирования погоды и мониторинга климата. Спутники MTG стабилизированы по трем осям, а не вращением, что обеспечивает большую гибкость в проектировании спутников и приборов. Система MTG включает отдельные спутниковые модели Imager и Sounder, использующие одну и ту же спутниковую платформу, с базовой конфигурацией из трех спутников – двух Imagers и одного Sounder. Спутники-изображатели несут гибкий комбинированный изобразитель (FCI), который, следуя MVIRI и SEVIRI, обеспечивает еще большее разрешение и спектральное покрытие, сканируя весь земной диск каждые десять минут, а также новую полезную нагрузку – детектор молний (LI). Спутники-зондировщики несут инфракрасный зонд (IRS) и приборы ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов (UVN). UVN является частью программы Copernicus Европейской комиссии и выполняет миссию Sentinel 4 по мониторингу качества воздуха, трассировочных газов и аэрозолей над Европой ежечасно с высоким пространственным разрешением. Два спутника MTG – один Imager и один Sounder – будут работать в непосредственной близости от геостационарной точки 0° над западной Африкой для наблюдения за восточной частью Атлантического океана, Европой, Африкой и Ближним Востоком, в то время как второй спутник-изображатель будет работать с 9,5° в.д. для выполнения миссии быстрого сканирования над Европой. MTG продолжает поддержку миссий ARGOS и Search and Rescue. MTG I1 был запущен на одном из последних запусков Ariane 5, а последующие спутники планируется запускать на Ariane 6 после ввода его в эксплуатацию. В 2006 году был запущен первый европейский оперативный метеорологический спутник на низкой околоземной орбите, Metop A, на солнечно-синхронную орбиту на высоте 817 км ракетой-носителем Союз с космодрома Байконур (Казахстан). Этот оперативный спутник, который является космическим сегментом Полярной системы Eumetsat (EPS), основан на опыте экспериментальных миссий ESA ERS и Envisat и был дополнен спутниками Metop B и Metop C с интервалом в шесть лет – последний из которых был запущен с Французской Гвианы на модернизированном Союзе. Каждый спутник несет тринадцать различных пассивных и активных приборов, конструкция которых варьируется от изобразителей и зондировщиков до рассеивателя и прибора радиооккультации. Сервисный модуль спутника основан на платформе SPOT 5, а набор полезной нагрузки представляет собой комбинацию новых и унаследованных приборов из Европы и США в рамках соглашения Initial Joint Polar System между EUMETSAT и NOAA. В продвинутой разработке находится второе поколение спутников Metop (Metop SG), первый из которых планируется запустить в 2025 году. Как и в случае с MTG, Metop SG будет запускаться на Ariane 6 и состоять из двух моделей спутников, которые будут работать парами в замену одиночным спутникам первого поколения для продолжения миссии EPS.

As early as 1946, the idea of cameras in orbit to observe the weather was being developed. This was due to sparse data observation coverage and the expense of using cloud cameras on rockets. By 1958, the early prototypes for TIROS and Vanguard (developed by the Army Signal Corps) were created. The first weather satellite, Vanguard 2, was launched on February 17, 1959. It was designed to measure cloud cover and resistance, but a poor axis of rotation and its elliptical orbit kept it from collecting a notable amount of useful data. The Explorer VI and VII satellites also contained weather related experiments. TIROS operated for 78 days and proved to be much more successful than Vanguard 2. TIROS paved the way for the Nimbus program, whose technology and findings are the heritage of most of the Earth observing satellites NASA and NOAA have launched since then. Beginning with the Nimbus 3 satellite in 1969, temperature information through the tropospheric column began to be retrieved by satellites from the eastern Atlantic and most of the Pacific Ocean, which led to significant improvements to weather forecasts. The ESSA and NOAA polar orbiting satellites followed suit from the late 1960s onward. Geostationary satellites followed, beginning with the ATS and SMS series in the late 1960s and early 1970s, then continuing with the GOES series from the 1970s onward. Polar orbiting satellites such as QuikScat and TRMM began to relay wind information near the ocean's surface starting in the late 1970s, with microwave imagery which resembled radar displays, which significantly improved the diagnoses of tropical cyclone strength, intensification, and location during the 2000s and 2010s. The DSCOVR satellite, owned by NOAA, was launched in 2015 and became the first deep space satellite that can observe and predict space weather. It can detect potentially dangerous weather such as solar wind and geomagnetic storms. This is what has given humanity the capability to make accurate and preemptive space weather forecasts since the late 2010s. In Europe, the first Meteosat geostationary operational meteorological satellite, Meteosat 1, was launched in 1977 on a Delta launch vehicle. The satellite was a spin stabilised cylindrical design, 2.1m in diameter and 3.2m tall, rotating at approx. 100 rpm and carrying the Meteosat Visible and Infrared Imager (MVIRI) instrument. Successive Meteosat first generation satellites were launched, on European Ariane 4 launchers from Kourou in French Guyana, up to and including Meteosat 7 which acquired data from 1997 until 2017, operated initially by the European Space Agency and later, from 1995, by the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT). The Meteosat Second Generation (MSG) satellites also spin stabilised although physically larger and twice the mass of the first generation were developed by ESA with European industry and in cooperation with EUMETSAT who then operate the satellites from their headquarters in Darmstadt, Germany with this same approach followed for all subsequent European meteorological satellites. Meteosat 8, the first MSG satellite, was launched in 2002 on an Ariane 5 launcher, carrying the Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) and Geostationary Earth Radiation Budget (GERB) instruments, along with payloads to support the COSPAS SARSAT Search and Rescue (SAR) and ARGOS Data Collection Platform (DCP) missions. SEVIRI provided an increased number of spectral channels over MVIRI and imaged the full Earth disc at double the rate. Meteosat 9 was launched to complement Meteosat 8 in 2005, with the second pair consisting of Meteosat 10 and Meteosat 11 launched in 2012 and 2015, respectively. The Meteosat Third Generation (MTG) programme launched its first satellite in 2022, and featured a number of changes over its predecessors in support of its mission to gather data for weather forecasting and climate monitoring. The MTG satellites are three axis stabilised rather than spin stabilised, giving greater flexibility in satellite and instrument design. The MTG system features separate Imager and Sounder satellite models that share the same satellite bus, with a baseline of three satellites two Imagers and one Sounder forming the operational configuration. The imager satellites carry the Flexible Combined Imager (FCI), succeeding MVIRI and SEVIRI to give even greater resolution and spectral coverage, scanning the full Earth disc every ten minutes, as well as a new Lightning Imager (LI) payload. The sounder satellites carry the Infrared Sounder (IRS) and Ultra violet Visible Near infrared (UVN) instruments. UVN is part of the European Commission's Copernicus programme and fulfils the Sentinel 4 mission to monitor air quality, trace gases and aerosols over Europe hourly at high spatial resolution. Two MTG satellites one Imager and one Sounder will operate in close proximity from the 0 deg geostationary location over western Africa to observe the eastern Atlantic Ocean, Europe, Africa and the Middle East, while a second imager satellite will operate from 9.5 deg East to perform a Rapid Scanning mission over Europe. MTG continues Meteosat support to the ARGOS and Search and Rescue missions. MTG I1 launched in one of the last Ariane 5 launches, with the subsequent satellites planned to launch in Ariane 6 when it enters service. In 2006, the first European low Earth orbit operational meteorological satellite, Metop A was launched into a Sun synchronous orbit at 817 km altitude by a Soyuz launcher from Baikonur, Kazakhstan. This operational satellite which forms the space segment of the Eumetsat Polar System (EPS) built on the heritage from ESA's ERS and Envisat experimental missions, and was followed at six year intervals by Metop B and Metop C the latter launched from French Guyana in a "Europeanised" Soyuz. Each carry thirteen different passive and active instruments ranging in design from imagers and sounders to a scatterometer and a radio occultation instrument. The satellite service module is based on the SPOT 5 bus, while the payload suite is a combination of new and heritage instruments from both Europe and the US under the Initial Joint Polar System agreement between EUMETSAT and NOAA. A second generation of Metop satellites (Metop SG) is in advanced development with launch of the first satellite foreseen in 2025. As with MTG, Metop SG will launch on Ariane 6 and comprise two satellite models to be operated in pairs in replacement of the single first generation satellites to continue the EPS mission.

Видимый спектр

Видимые изображения, полученные с метеорологических спутников в светлое время суток, легко интерпретируются даже неспециалистом. Облака, облачные системы, такие как фронты и тропические штормы, озера, леса, горы, снег и лед, пожары, а также загрязнения, такие как дым, смог, пыль и туман, хорошо различимы. Даже направление и силу ветра можно определить по рисунку, расположению и движению облаков на последовательных снимках.

Инфракрасный спектр

Тепловые и инфракрасные изображения, полученные с помощью датчиков, называемых сканирующими радиометрами, позволяют обученному аналитику определять высоту и типы облаков, рассчитывать температуру суши и поверхностных вод, а также выявлять особенности поверхности океана. Инфракрасные спутниковые снимки эффективно используются для анализа тропических циклонов с четко видимым глазом, применяя технику Дворжака, где разница между температурой теплого центра циклона и окружающих холодных облаков позволяет оценить его интенсивность (чем холоднее облака, тем обычно сильнее шторм). На инфракрасных изображениях можно увидеть океанические вихри и течения, такие как Гольфстрим, что важно для судоходства. Рыбаки и фермеры заинтересованы в информации о температуре суши и воды для защиты урожая от заморозков или увеличения улова. Даже явления Эль-Ниньо можно обнаружить. С помощью методов цифровой цветовой обработки серые тепловые изображения можно преобразовать в цветные для облегчения идентификации необходимой информации.

Типы

Каждый метеорологический спутник разработан для использования одного из двух типов орбит: геостационарной и полярной.

Геостационарные

Геостационарные метеорологические спутники вращаются вокруг Земли над экватором на высоте 35 880 км (22 300 миль). Благодаря этой орбите они остаются неподвижными относительно вращающейся Земли и, таким образом, могут непрерывно записывать или передавать изображения всего полушария, находящегося ниже, с помощью своих датчиков видимого и инфракрасного диапазонов. Средства массовой информации используют геостационарные снимки в своих ежедневных прогнозах погоды в виде отдельных изображений или в виде видеороликов. Они также доступны на страницах прогноза погоды для городов на сайте www.noaa.gov (например, Даллас, Техас). В настоящее время в эксплуатации находится несколько геостационарных метеорологических космических аппаратов. Американская серия GOES включает три действующих спутника: GOES 15, GOES 16 и GOES 17. GOES 16 и 17 остаются неподвижными над Атлантическим и Тихим океанами соответственно. GOES 15 был выведен из эксплуатации в начале июля 2019 года. Спутник GOES 13, ранее принадлежавший Национальному управлению океанических и атмосферных исследований (NOAA), был передан Космическим силам США в 2019 году и переименован в EWS G1, став первым геостационарным метеорологическим спутником, находящимся в собственности и эксплуатации Министерства обороны США. Новый российский метеорологический спутник "Электро-Л №1" работает на 76° восточной долготы над Индийским океаном. Японцы используют MTSAT 2, расположенный над центральной частью Тихого океана на 145° в.д., и Himawari 8 на 140° в.д. Европейцы эксплуатируют четыре спутника: Meteosat 8 (3,5° з.д.) и Meteosat 9 (0°) над Атлантическим океаном, а также Meteosat 6 (63° в.д.) и Meteosat 7 (57,5° в.д.) над Индийским океаном. В настоящее время Китай эксплуатирует четыре геостационарных спутника Fengyun (风云) (FY 2E на 86,5° в.д., FY 2F на 123,5° в.д., FY 2G на 105° в.д. и FY 4A на 104,5° в.д.). Индия также эксплуатирует геостационарные спутники INSAT, оснащенные приборами для метеорологических целей.

Полярная орбита

Полярные орбитальные метеорологические спутники вращаются вокруг Земли на типичной высоте 850 км (530 миль) по траектории с севера на юг (или наоборот), проходя над полюсами в своем непрерывном полете. Полярные орбитальные метеорологические спутники находятся на солнечно-синхронных орбитах, что позволяет им наблюдать любую точку на Земле и просматривать каждое место дважды в день с примерно одинаковыми условиями освещения благодаря почти постоянному местному солнечному времени. Благодаря своей близости к Земле, полярные орбитальные метеорологические спутники обеспечивают гораздо более высокое разрешение, чем геостационарные спутники. Соединенные Штаты располагают серией полярных метеорологических спутников NOAA, в настоящее время NOAA 15, NOAA 18 и NOAA 19 (POES) и NOAA 20 (JPSS). В Европе спутники Metop A, Metop B и Metop C находятся в эксплуатации EUMETSAT. Россия имеет спутники серий "Метеор" и "Ресурс". Китай располагает спутниками FY 3A, 3B и 3C. Индия также имеет полярные орбитальные спутники.

ДМСП

Метеорологический спутник Министерства обороны США (DMSP) обладает способностью "видеть" лучше любых других метеорологических аппаратов, благодаря возможности обнаруживать объекты, почти такие же "маленькие", как огромный нефтяной танкер. Кроме того, из всех метеорологических спутников на орбите только DMSP способен "видеть" ночью в видимом спектре. Некоторые из самых впечатляющих фотографий были сделаны ночным визуальным сенсором: городские огни, вулканы, пожары, молнии, метеоры, факельные сжигания на нефтяных месторождениях, а также Северное и Южное сияния были запечатлены этим космическим аппаратом высотой 450 миль (724 км) с помощью сенсора низкой лунной освещенности. Одновременно с этим можно отслеживать энергопотребление и рост городов, поскольку хорошо видны как крупные, так и небольшие города, а также освещение автомагистралей. Это информирует астрономов о световом загрязнении. Отключение электроэнергии в Нью-Йорке в 1977 году было зафиксировано одним из ночных орбитальных аппаратов DMSP. Помимо мониторинга городских огней, эти фотографии являются незаменимым инструментом в обнаружении и мониторинге пожаров. Спутники видят пожары визуально как днем, так и ночью, но тепловые и инфракрасные сканеры на борту этих метеорологических спутников обнаруживают потенциальные источники возгорания под поверхностью Земли, где происходит тление. После обнаружения пожара те же самые метеорологические спутники предоставляют важную информацию о ветре, который может раздувать или распространять огонь. Эти же снимки облаков из космоса сообщают пожарным о предстоящих осадках. Среди наиболее драматичных фотографий – снимки 600 кувейтских нефтяных пожаров, устроенных отступающими иракскими войсками 23 февраля 1991 года. Ночные фотографии показывали огромные вспышки, значительно превосходящие свечение крупных населенных пунктов. Пожары поглотили огромное количество нефти, последняя из которых была потушена 6 ноября 1991 года.

Применение

Мониторинг снежных полей, особенно в Сьерра-Неваде, может быть полезен гидрологам, отслеживающим запасы снега для стока, жизненно важного для водосборов западных Соединенных Штатов. Эта информация получается из существующих спутников всех агентств правительства США (в дополнение к местным наземным измерениям). Ледяные поля, торосы и айсберги также можно обнаруживать и отслеживать с помощью метеорологических космических аппаратов. Даже загрязнения, природного или антропогенного происхождения, можно точно определить. Визуальные и инфракрасные снимки показывают последствия загрязнений из различных регионов по всей Земле. Также можно заметить загрязнение от авиации и ракет, а также конденсационные следы. Данные об океанических течениях и ветре на нижних уровнях атмосферы, полученные со спутниковых снимков, помогают прогнозировать распространение и перемещение нефтяных разливов в океане. Почти каждое лето песок и пыль из пустыни Сахара в Африке переносятся через экваториальные районы Атлантического океана. Снимки со спутника GOES EAST позволяют метеорологам наблюдать, отслеживать и прогнозировать движение этого песчаного облака. Помимо снижения видимости и вызывания респираторных проблем, песчаные облака подавляют формирование ураганов, изменяя баланс солнечной радиации в тропиках. Другие пыльные бури в Азии и материковом Китае – обычное явление, их легко обнаружить и отслеживать, недавние примеры включают перемещение пыли через Тихий океан и достижение Северной Америки. В отдаленных районах мира, где мало наблюдателей, пожары могут бушевать бесконтрольно в течение дней или даже недель, уничтожая огромные территории, прежде чем власти будут оповещены. В таких ситуациях метеорологические спутники могут оказаться ценным подспорьем. Ночные снимки также показывают очаги горения на газовых и нефтяных месторождениях. Метеорологические спутники измеряют профили температуры и влажности атмосферы с 1969 года.

Датчики, не использующие изображения

Не все метеорологические спутники являются спутниками прямого изображения. Некоторые спутники – это зонды, которые выполняют измерения по одному пикселю за раз. У них отсутствует горизонтальное пространственное разрешение, но они часто способны определять структуру вертикальных слоев атмосферы. Данные, полученные вдоль траектории спутника, впоследствии могут быть представлены в виде карт.

Международное регулирование

Согласно Международному союзу электросвязи (МСЭ), метеорологическая спутниковая служба (также: метеорологическая спутниковая служба радиосвязи) – в соответствии со статьей 1.52 Радиорегламента МСЭ (РР) – определяется как служба исследования Земли из космоса для метеорологических целей.