Метеорологический спутник или метеорологический спутник — это тип спутника наблюдения за Землей , который в основном используется для мониторинга погоды и климата Земли. Спутники могут быть полярно-орбитальными (покрывающими всю Землю асинхронно) или геостационарными (зависающими над одной и той же точкой на экваторе ). [1]
Хотя метеорологические спутники в первую очередь используются для обнаружения развития и движения штормовых систем и других облачных структур, они также могут обнаруживать другие явления, такие как городские огни, пожары, последствия загрязнения, полярные сияния , песчаные и пыльные бури , снежный покров, ледовое картирование, границы океанских течений и потоки энергии. Другие типы экологической информации собираются с помощью метеорологических спутников. Метеорологические спутниковые снимки помогли в мониторинге облака вулканического пепла с горы Сент-Хеленс и активности других вулканов, таких как гора Этна . [2] Также отслеживался дым от пожаров на западе Соединенных Штатов, таких как Колорадо и Юта .
Эль-Ниньо и его влияние на погоду отслеживаются ежедневно с помощью спутниковых снимков. Антарктическая озоновая дыра картографируется с помощью данных метеорологических спутников. В совокупности метеорологические спутники, запущенные США, Европой, Индией, Китаем, Россией и Японией, обеспечивают практически непрерывные наблюдения для глобального наблюдения за погодой.
Еще в 1946 году разрабатывалась идея камер на орбите для наблюдения за погодой. Это было связано с разреженным покрытием данных наблюдений и расходами на использование облачных камер на ракетах. К 1958 году были созданы первые прототипы TIROS и Vanguard (разработанные армейским корпусом связи ). [3] Первый метеорологический спутник Vanguard 2 был запущен 17 февраля 1959 года. [4] Он был разработан для измерения облачного покрова и сопротивления, но плохая ось вращения и его эллиптическая орбита не позволили ему собрать заметное количество полезных данных. Спутники Explorer 6 и Explorer 7 также проводили эксперименты, связанные с погодой. [3]
Первым метеорологическим спутником, который можно считать успешным, был TIROS-1 , запущенный НАСА 1 апреля 1960 года. [5] TIROS проработал 78 дней и оказался гораздо более успешным, чем Vanguard 2. Другие ранние программы метеорологических спутников включают Программу применения оборонных спутников (DSAP) 1962 года [6] и советскую серию «Метеор» 1964 года .
TIROS проложил путь для программы Nimbus , чьи технологии и результаты являются наследием большинства спутников наблюдения за Землей, запущенных NASA и NOAA с тех пор. Начиная со спутника Nimbus 3 в 1969 году, информация о температуре через тропосферный столб начала поступать со спутников из восточной части Атлантического океана и большей части Тихого океана, что привело к значительному улучшению прогнозов погоды . [7]
Полярно-орбитальные спутники ESSA и NOAA последовали их примеру с конца 1960-х и далее. Затем последовали геостационарные спутники, начиная с серий ATS и SMS в конце 1960-х и начале 1970-х годов, затем продолжили серией GOES с 1970-х годов. Полярно-орбитальные спутники, такие как QuikScat и TRMM, начали передавать информацию о ветре вблизи поверхности океана, начиная с конца 1970-х годов, с помощью микроволновых изображений, которые напоминали радиолокационные дисплеи, что значительно улучшило диагностику силы тропических циклонов , их интенсификации и местоположения в 2000-х и 2010-х годах.
Спутник DSCOVR , принадлежащий NOAA, был запущен в 2015 году и стал первым спутником дальнего космоса, который может наблюдать и предсказывать космическую погоду. Он может обнаруживать потенциально опасную погоду, такую как солнечный ветер и геомагнитные бури . Это то, что дало человечеству возможность делать точные и упреждающие прогнозы космической погоды с конца 2010-х годов. [8]
В Европе первый геостационарный метеорологический спутник Meteosat , Meteosat-1, был запущен в 1977 году на ракете-носителе Delta. Спутник представлял собой цилиндрическую конструкцию со стабилизацией вращения , диаметром 2,1 м и высотой 3,2 м, вращающуюся со скоростью около 100 об/мин и несущую прибор Meteosat Visible and Infrared Imager (MVIRI). Последующие спутники Meteosat первого поколения запускались на европейских ракетах-носителях Ariane-4 с космодрома Куру во Французской Гвиане, вплоть до Meteosat-7, который собирал данные с 1997 по 2017 год, первоначально эксплуатировался Европейским космическим агентством , а затем Европейской организацией по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT).
Начиная с 1977 года Япония запустила девять спутников Himawari . Начиная с 1988 года Китай запустил двадцать один спутник Fengyun .
Спутники Meteosat второго поколения (MSG) — также стабилизированные вращением, хотя физически больше и в два раза тяжелее первого поколения — были разработаны ESA совместно с европейской промышленностью и в сотрудничестве с EUMETSAT , которая затем управляла спутниками из своей штаб-квартиры в Дармштадте, Германия, с тем же подходом, который применялся ко всем последующим европейским метеорологическим спутникам. Meteosat-8 , первый спутник MSG, был запущен в 2002 году на ракете-носителе Ariane-5 , неся на борту приборы 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 ARGOS Data Collection Platform (DCP). SEVIRI обеспечивал увеличенное количество спектральных каналов по сравнению с MVIRI и снимал полный диск Земли с удвоенной скоростью. 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 и внесла ряд изменений по сравнению со своими предшественниками в поддержку своей миссии по сбору данных для прогнозирования погоды и мониторинга климата. Спутники MTG стабилизированы по трем осям, а не вращаются, что обеспечивает большую гибкость при проектировании спутников и инструментов. Система MTG включает отдельные модели спутников Imager и Sounder, которые используют одну и ту же спутниковую шину, с базовой линией из трех спутников — двух Imagers и одного Sounder, — образующих рабочую конфигурацию. Спутники-визуализаторы несут гибкий комбинированный Imager (FCI), пришедший на смену MVIRI и SEVIRI, чтобы обеспечить еще большее разрешение и спектральный охват, сканируя весь диск Земли каждые десять минут, а также новую полезную нагрузку Lightning Imager (LI). Спутники-зонды несут инфракрасный зонд (IRS) и ультрафиолетовый видимый ближний инфракрасный (UVN) инструменты. UVN является частью программы Европейской комиссии Copernicus и выполняет миссию Sentinel-4 по ежечасному мониторингу качества воздуха, следов газов и аэрозолей над Европой с высоким пространственным разрешением. Два спутника MTG — один Imager и один Sounder — будут работать в непосредственной близости от геостационарной позиции 0 градусов над Западной Африкой для наблюдения за восточной частью Атлантического океана, Европой, Африкой и Ближним Востоком, в то время как второй спутник-имиджер будет работать с позиции 9,5 градусов восточной долготы для выполнения миссии быстрого сканирования над Европой. MTG продолжает поддержку Meteosat для миссий ARGOS и поиска и спасения. MTG-I1 был запущен в одном из последних запусков Ariane-5, а последующие спутники планируется запустить в Ariane-6 , когда он поступит в эксплуатацию.
В 2006 году первый европейский низкоорбитальный оперативный метеорологический спутник Metop -A был выведен на солнечно-синхронную орбиту на высоту 817 км с помощью ракеты-носителя «Союз» с космодрома Байконур, Казахстан. Этот оперативный спутник, который образует космический сегмент полярной системы EUMETSAT (EPS), создан на основе наследия экспериментальных миссий ESA ERS и Envisat , и за ним с шестилетним интервалом последовали Metop-B и Metop-C — последний был запущен из Французской Гвианы на «европеизированном» «Союзе» . Каждый из них несет тринадцать различных пассивных и активных приборов, варьирующихся по конструкции от формирователей изображений и зондов до рефлектометра и радиозатменного прибора. Модуль спутникового обслуживания основан на платформе SPOT-5, в то время как комплект полезной нагрузки представляет собой комбинацию новых и традиционных приборов из Европы и США в рамках первоначального соглашения о совместной полярной системе между EUMETSAT и NOAA.
Второе поколение спутников Metop ( MetOp-SG ) находится на продвинутой стадии разработки, запуск первого спутника запланирован на 2025 год. Как и в случае с MTG, Metop-SG будет запущен на Ariane-6 и будет включать в себя две модели спутников, которые будут работать попарно вместо одиночных спутников первого поколения для продолжения миссии EPS.
Наблюдение обычно осуществляется через различные «каналы» электромагнитного спектра , в частности, через видимую и инфракрасную части.
Некоторые из этих каналов включают: [9] [10]
Видимые изображения с метеорологических спутников в течение местных дневных часов легко интерпретируются даже среднестатистическим человеком, облака, облачные системы, такие как фронты и тропические штормы, озера, леса, горы, снег, лед, пожары и загрязнения, такие как дым, смог, пыль и дымка, легко видны. Даже ветер можно определить по облачным моделям, выравниванию и движению из последовательных фотографий. [11]
Тепловые или инфракрасные изображения, записанные датчиками, называемыми сканирующими радиометрами, позволяют обученному аналитику определять высоту и типы облаков, рассчитывать температуру земли и поверхностных вод и определять особенности поверхности океана. Инфракрасные спутниковые изображения могут эффективно использоваться для тропических циклонов с видимым глазом , используя метод Дворжака , где разница между температурой теплого глаза и окружающих холодных вершин облаков может использоваться для определения его интенсивности (более холодные вершины облаков обычно указывают на более интенсивный шторм). [12] Инфракрасные изображения изображают океанские водовороты или вихри и картографируют течения, такие как Гольфстрим, которые представляют ценность для судоходной отрасли. Рыбаки и фермеры заинтересованы в знании температуры земли и воды, чтобы защитить свои урожаи от заморозков или увеличить улов в море. Можно обнаружить даже явление Эль-Ниньо. Используя методы цветной оцифровки, серые тепловые изображения можно преобразовать в цветные для более легкой идентификации нужной информации.
.jpg/1280px-First_Full_Disk_Image_from_GOES-17_as_GOES_West_(40118037553).jpg)
Каждый метеорологический спутник предназначен для использования одного из двух различных классов орбит: геостационарной и полярной .
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 ниже с помощью своих видимых и инфракрасных датчиков. Средства массовой информации используют геостационарные фотографии в своих ежедневных погодных презентациях в виде отдельных изображений или в виде циклов фильмов. Они также доступны на страницах прогнозов погоды города на сайте www.noaa.gov (например, Даллас, Техас). [13]
Несколько геостационарных метеорологических космических аппаратов находятся в эксплуатации. Серия GOES США насчитывает три работающих: GOES-15 , GOES-16 и GOES-17 . GOES-16 и -17 остаются неподвижными над Атлантическим и Тихим океанами соответственно. [14] GOES-15 был выведен из эксплуатации в начале июля 2019 года . [15]
Спутник GOES 13 , ранее принадлежавший Национальной ассоциации океанических и атмосферных исследований (NOAA), был передан Космическим силам США в 2019 году и переименован в EWS-G1; он стал первым геостационарным метеорологическим спутником, принадлежащим и эксплуатируемым Министерством обороны США. [16]
Российский метеорологический спутник нового поколения «Электро-Л № 1» работает в позиции 76° в. д. над Индийским океаном. У японцев есть MTSAT -2, расположенный над средней частью Тихого океана в позиции 145° в. д., и Himawari 8 в позиции 140° в. д. У европейцев есть четыре работающих 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 у Китая есть четыре геостационарных спутника Fengyun (风云) (FY-2E в позиции 86,5° в. д., FY-2F в позиции 123,5° в. д., FY-2G в позиции 105° в. д. и FY-4A в позиции 104,5 ° в. д.). [17] Индия также эксплуатирует геостационарные спутники, называемые INSAT , которые несут приборы для метеорологических целей.
Полярно-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. Полярно-орбитальные метеорологические спутники находятся на солнечно-синхронных орбитах , что означает, что они могут наблюдать за любым местом на Земле и будут просматривать каждое место дважды в день при тех же общих условиях освещения из-за почти постоянного местного солнечного времени . Полярно-орбитальные метеорологические спутники обеспечивают гораздо лучшее разрешение, чем их геостационарные аналоги, из-за их близости к Земле.
У США есть серия полярно-орбитальных метеорологических спутников NOAA , в настоящее время NOAA-15, NOAA-18 и NOAA-19 ( POES ) и NOAA-20 и NOAA-21 ( JPSS ). У Европы есть спутники Metop -A, Metop -B и Metop -C, эксплуатируемые EUMETSAT . У России есть серии спутников Meteor и RESURS. У Китая есть FY -3A, 3B и 3C. У Индии также есть полярно-орбитальные спутники.
Метеорологический спутник Министерства обороны США ( DMSP ) может «видеть» лучше всех метеорологических аппаратов благодаря своей способности обнаруживать объекты почти такие же «маленькие», как огромный нефтяной танкер . Кроме того, из всех метеорологических спутников на орбите только DMSP может «видеть» ночью в визуальном диапазоне. Некоторые из самых захватывающих фотографий были сделаны ночным визуальным датчиком; городские огни, вулканы , пожары, молнии, метеоры , выгорание нефтяных месторождений, а также северное сияние и южное сияние были запечатлены датчиком лунного света этого космического аппарата на высоте 720 километров (450 миль).
В то же время можно отслеживать потребление энергии и рост городов, поскольку как крупные, так и мелкие города, а также огни автомагистралей бросаются в глаза. Это информирует астрономов о световом загрязнении . Отключение электроэнергии в Нью-Йорке в 1977 году было зафиксировано одним из космических аппаратов DMSP ночного орбитального зонда.
Помимо мониторинга городских огней, эти фотографии являются спасательным активом при обнаружении и мониторинге пожаров. Спутники не только видят пожары визуально днем и ночью, но и тепловые и инфракрасные сканеры на борту этих метеорологических спутников обнаруживают потенциальные источники пожара под поверхностью Земли, где происходит тление. После обнаружения пожара те же метеорологические спутники предоставляют важную информацию о ветре, который может раздуть или распространить пожары. Эти же фотографии облаков из космоса сообщают пожарному, когда пойдет дождь.
Некоторые из самых драматичных фотографий показали 600 пожаров кувейтской нефти , которые бежавшая армия Ирака начала 23 февраля 1991 года. Ночные фотографии показали огромные вспышки, намного превосходящие свечение крупных населенных пунктов. Пожары поглотили огромное количество нефти; последний был потушен 6 ноября 1991 года.
.gif/1280px-NOAA_Shares_First_Infrared_Imagery_from_GOES-17_(43904870711).gif)
Мониторинг снежных полей, особенно в Сьерра-Неваде , может быть полезен гидрологам, отслеживающим доступный снежный покров для стока, жизненно важного для водоразделов западной части Соединенных Штатов. Эта информация собирается с существующих спутников всех агентств правительства США (в дополнение к локальным наземным измерениям). Ледяные поля, паки и айсберги также могут быть обнаружены и отслежены с метеорологических космических аппаратов.
Даже загрязнение, будь то природное или антропогенное, можно определить. Визуальные и инфракрасные фотографии показывают последствия загрязнения соответствующих областей по всей Земле. Также можно заметить загрязнение от самолетов и ракет , а также конденсационные следы . Информация об океанических течениях и низкоуровневом ветре, полученная из космических фотографий, может помочь предсказать покрытие и перемещение разливов нефти в океане. Почти каждое лето песок и пыль из пустыни Сахара в Африке дрейфуют через экваториальные районы Атлантического океана. Фотографии GOES-EAST позволяют метеорологам наблюдать, отслеживать и прогнозировать это песчаное облако. Помимо снижения видимости и возникновения проблем с дыханием, песчаные облака подавляют формирование ураганов , изменяя баланс солнечной радиации в тропиках. Другие пыльные бури в Азии и материковом Китае являются обычным явлением и их легко обнаружить и контролировать, с недавними примерами перемещения пыли через Тихий океан и достижения Северной Америки.
В отдаленных районах мира с небольшим количеством местных наблюдателей пожары могут бушевать без контроля в течение нескольких дней или даже недель и поглотить огромные площади, прежде чем власти будут предупреждены. Метеорологические спутники могут быть ценным активом в таких ситуациях. Ночные фотографии также показывают выгорание на газовых и нефтяных месторождениях. Профили атмосферной температуры и влажности снимаются метеорологическими спутниками с 1969 года. [18]
Не все метеорологические спутники являются прямыми визуализаторами . Некоторые спутники являются зондами , которые выполняют измерения по одному пикселю за раз. Они не имеют горизонтального пространственного разрешения , но часто способны разрешать вертикальные атмосферные слои . Зондирования вдоль наземной траектории спутника могут быть позже сеточены для формирования карт .
По данным Международного союза электросвязи (МСЭ), метеорологическая спутниковая служба (также: метеорологическая спутниковая служба радиосвязи ) — согласно статье 1.52 Регламента радиосвязи МСЭ (РР) [19] — определяется как « спутниковая служба исследования Земли в метеорологических целях».
Данная служба радиосвязи классифицируется в соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ (статья 1) следующим образом:
Фиксированная служба (статья 1.20)
Распределение радиочастот осуществляется в соответствии со статьей 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.) [20] .
Для улучшения гармонизации использования спектра большинство выделений служб, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные Таблицы распределения и использования частот, которые находятся в сфере ответственности соответствующей национальной администрации. Выделение может быть первичным, вторичным, исключительным и совместным.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )