Космическая гидрометеорология - что видят спутники?⁠⁠

Первый пост

Итак, чтобы было понятнее, что вообще приходит со спутников, напишу для этого отдельный пост.

Космические аппараты бывают по типу орбиты бывают трех типов:

1. полярно орбитальные, которые вращаются вокруг Земли с разной периодичностью (высота, с которой летят такие спутники - от 200 до 800 км)

2. геостационарные, которые стоят вдоль линии экватора на высоту около 38 тыс. км, таким образом они двигаются одновременно с вращением Земли, что позволяет им наблюдать одну и туже территорию с высокой периодичностью по времени

3. высокоэллептические. Такой спутник, на борту которого находится метеорологический прибор, пока что один в мире - это российский спутник "Арктика-М" №1. Он летает по орбите типа молния.

На одном космическом аппарате может быть установлено несколько приборов. Обычно, это инфракрасный (ИК) прибор, микроволновый радиометр, гиперспектрометр. Есть еще другие, но они редкие и используются в специфичных задачах.

ИК-прибор.

Он снимает в видимом и ИК-диапазоне. Приборы все пассивыне - то есть они только регистрируют излучение, которое приходит с поверхности. То есть у прибора есть несколько каналов, каждый из которых чувствителен к определенной области спектра. Например, один канал чувствителен к области спектра 0.54-0.58 мкм, другой канал - 11.2-11.6 мкм. Каналы приборов разрабатываются с учетом прозрачности атмосферы, чтобы эти данные могли показывать нужные и важные параметры

Каналы в диапазоне от 0.2 до 3 мкм регистрируют излучение только в дневное время, каналы в диапазоне от 3 до 15 мкм - и в дневное и в ночное. И в тех, и в тех каналах прибором регистрируется спектральная энергетическая яркость(radiance). Для каналов  от 0.2 до 3 мкм эти данные преобразовываются в коэффициент спектральной яркости с использование расстояние до Солнца и энергетической эффективности канала, а для каналов от 3 до 15 мкм по функции Планка преобразовываются в температуру Кельвина, называемой "яркостная температура".

Обычно на спутниковых приборах количество таких каналов небольшое - от 6 до 20 каналов. Ширина чувствительности к спектру каждого канала бывает разная  - от 0.2 мкм до 1 мкм. То есть, к примеру, канал может воспринимать область спектра от 0.44 до 0.89 мкм.

Как выглядят эти данные?

Если зайти на сайт worldview.earthdata.nasa.gov, то там будет что-то типа такого

Это несколько пролетов спутника наложены друг на друга. Для того, чтобы получилась такая красочная картинка, совмещают три канала, которые снимают в видимом диапазоне.

Если перейти на сайт multimaps.ru, то там уже картинка выглядит по другому.

Потому что этой картинки совмещали данные не только из каналов видимого диапазона, но и данные ближних инфракрасных каналов.

Есть множество вариаций того, как совмещать каналы между собой, то есть синтезировать. Например, тут приведены примеры.

Разрешение ИК-приборов бывает разным. Скажем, есть разрешение - 10м, 30, 50м. У таких приборов небольшая полоса обзора и одну и туже территорию спутники покрывают раз в 5-10 дней. Пример таких спутников - Landsat-8, Sentinel-2, Канопус-В №1,3,4,5,6. Есть разрешение 100, 250, 500, 1000 метров - такие приборы имеют большую полосу обзора и спутники пролетают над одной и той же территорией два раза в день. Пример таких спутников - Terra, Aqua, NOAA-20, Suomi NPP, Метеор-М №2 и №2-2.

Геостационарные спутники в основном снимают с разрешением 500, 1000, 3000 и 4000 км.

Что касается микроволновых приборов - они бывают пассивные и активные. Активные посылают сигнал на Землю и регистрируют возвращённый сигнал, пассивные - также как и ИК, просто регистрируют то что пришло. Приборы имеют также каналы, которые снимают на определенной частоте. Скажем, 10.6 GHz, или 183 GHz. Каналы, так же как и ИК, разрабатываются с учетом прозрачности атмосферы. Преимуществом таких приборов является то, что из-за свойств микроволнового излучения на некоторых диапазонах сигнал может проходить сквозь облачность, таким образом можно получить данные поверхности, которая закрыта облачным массивом.

Данные микроволновых каналов преобразовываются в яркостные температуры, изначально при это фиксируется антенная температура (то есть не калиброванная).

Гиперспектрометры - это ИК-приборы, однако у них не 6-20 каналов, а около 1000. И ширина чувствительности у них очень маленькая - до 0.1 мкм. С его помощью в основном восстанавливают содержание основных газов и малых газовых составляющих в атмосфере.

Такое вот краткое описание. Думаю, в следующем посте расскажу о том, как обрабатываются данные, с помощью какого ПО и т.д.

Если было интересно или чего-то не хватило - дайте знать