Погода – сукупність відносно короткочасних атмосферних явищ – важко піддається прогнозу з-за великої кількості факторів, що впливають на неї, і мінливості їх впливу. Атмосфера Землі являє собою складну динамічну систему, тому для підвищення точності прогнозування необхідно враховувати її стан у різних регіонах в кожен момент. Вже кілька десятиліть необхідним інструментом, що надає можливість вести дослідження атмосфери в глобальному масштабі, є метеорологічні супутники.
Початок космічних спостережень погоди
Супутником, показав принципову придатність космічних апаратів для метеорологічних спостережень, став американський «ТИРОС-1», запуск якого був здійснений 1 квітня 1960 року.
Супутник передав перше телевізійне зображення нашої планети з космосу. Згодом на базі апаратів цього типу була створена однойменна глобальна метеорологічна супутникова система.
Перший метеорологічний супутник СРСР «Космос-122» – був запущений 25 червня 1966 року. Він мав на борту апаратуру для зйомки в оптичному та інфрачервоному діапазоні, дозволяв досліджувати розподіл хмарності, крижаних полів і снігового покриву, а також вимірювати температурні характеристики атмосфери на денній і нічній стороні Землі. З 1967 року в СРСР почала функціонувати система «Метеор», яка лягла в основу разрабатывавшихся згодом метеосистем різного призначення.
Супутникові метеосистемы різних країн
Спадкоємцями «Метеора» стали кілька серій супутників, такі як «Метеор-Природа», «Метеор-2» і «Метеор-3», а також апарати серії «Ресурс». З початку 2000-х років триває створення комплексу «Метеор-3М». Крім того, в число метеорологічних супутників Росії увійшли два апарати комплексу «Електро-Л». З першим з них, які пропрацювали на орбіті 5 років і 8 місяців, зв’язок була втрачена в 2016 році, другий продовжує працювати. Планується запуск третього супутника цієї серії.
У США, крім системи TIROS, були розроблені і використовувалися космічні апарати серій Nimbus, ESSA, NOAA, GOES. Кілька апаратів серій NOAA і GOES знаходяться в експлуатації в даний час.
Європейські супутникові метеосистемы представлені серіями Meteosat двох поколінь, MetOp, а також припинили роботу ERS Envisat – один з найбільших апаратів, виведених на навколоземну орбіту Європейським космічним агентством.
Свої метеорологічні супутники мають Японія («Химавари»), Китай («Фэнъюнь»), Індія (INSAT-3DR) та деякі інші країни.
Типи супутників
Космічні апарати, що входять до метеокомплексы, діляться на два типи за параметрами орбіти і, відповідно, за призначенням:
- Геостаціонарні супутники. Запуск їх провадиться в екваторіальній площині, в напрямку обертання Землі на висоту 36 786 км над рівнем моря. Кутова швидкість їх відповідає швидкості обертання планети. Маючи такі орбітальні характеристики, супутники цього типу знаходяться завжди над однією точкою, якщо не враховувати коливання і «дрейф», викликані похибками при виведенні на орбіту і гравітаційними аномаліями. Вони постійно спостерігають одну область, становить близько 42 % земної поверхні – трохи менше, ніж півкуля. Ці супутники не дозволяють спостерігати області найбільш високих широт і не дають детального зображення, зате надають можливість безперервного спостереження за обстановкою у великих регіонах.
- Полярні супутники. Апарати цього типу рухаються набагато більш низьких орбітах – від 850 до 1000 км, внаслідок чого не забезпечують широкого охоплення досліджуваної території. Однак орбіти їх обов’язково проходять над полюсами Землі, і один супутник такого типу здатний за певну кількість витків «зняти» всю поверхню планети вузькими (близько 2500 км) смугами з хорошим дозволом. При одночасній роботі двох супутників, що знаходяться на сонячно-синхронних полярних орбітах, огляд кожного району здійснюється з інтервалом 6 годин.
Загальний опис і характеристики метеорологічних супутників
Космічний апарат, призначений для метеоспостережень, складається з двох модулів: службового (супутникова платформа) і несе корисне навантаження (прилади). У службовому відсіку розміщується енергетичне обладнання, що забезпечує живлення від сонячних батарей, укріплених на ньому разом з радіатором і руховою системою. До робочого модуля приєднаний радіотехнічний комплекс, оснащений декількома антенами, і датчики моніторингу гелиофизической обстановки.
Стартова маса таких апаратів зазвичай досягає декількох тонн, корисне навантаження – від однієї до двох тонн. Рекордсмен серед метеосупутників – європейський «Энвисат» – мав стартову масу понад 8 тонн, корисну – більше 2 тонн при розмірах 10 × 2,5 × 5 м. З розгорнутими панелями ширина його досягала 26 метрів. Габарити американського GOES-R – 6,1 × 5,6 × 3,9 м при майже 5200 кг стартової та 2860 кг сухої маси. Російський «Метеор-М» № 2 має діаметр 2,5 м, довжину – 5 м, ширину при розгорнутих сонячних панелях – 14 м. Корисне навантаження супутника – близько 1200 кг, стартова маса склала трохи менше 2800 кг. Нижче представлено фото метеорологічного супутника «Метеор-М» № 2.
Наукове обладнання супутників
Як правило, метеосупутники несуть у складі свого апаратурного комплексу два типи приладів:
- Оглядові. З їх допомогою отримують телевізійні і фотозображення поверхні суші й океанів, хмарного, снігового і льодового покриву. У числі цих приладів – не менше двох пристроїв многозональной зйомки в різних діапазонах спектру (видимому, мікрохвильовому, інфрачервоному). Вони виробляють зйомку з різним дозволом. Супутники також оснащуються установкою радарного сканування поверхні.
- Вимірювальні. За допомогою приладів цього типу супутник збирає кількісні характеристики, що відображають стан атмосфери, гідросфери і магнітосфери. До таких характеристик відносяться температура, вологість, радіаційна обстановка, поточні параметри геомагнітного поля і т. д.
До складу корисного навантаження метеорологічного супутника входить також бортова система збору і передачі даних.
Прийом і обробка даних на Землі
Супутник може працювати як в режимі запам’ятовування інформації з подальшою передачею пакету даних на наземний комплекс прийому і обробки, так і вести безпосередню пряму передачу. Одержувані наземним комплексом супутникові дані піддаються дешифрування, в ході якого здійснюється прив’язка інформації щодо часу і картографічним координатами. Потім дані з різних космічних апаратів об’єднуються і піддаються дообработке з створенням наочно сприймаються зображень.
Всесвітньою метеорологічною організацією прийнята концепція «відкритого неба», який декларує вільний доступ до метеорологічної інформації – незашифрованим даними, що надходять в режимі реального часу з супутників. Для цього необхідно мати відповідну приймальне обладнання та програмне забезпечення.
Міжнародна система метеорологічних спостережень
Оскільки геостаціонарна орбіта тільки одна, її використання вимагає координації між космічними агентствами і метеорологічними (а також іншими заінтересованими) службами різних країн. Та й при виборі низьких полярних орбіт в даний час не обійтися без узгодження. Крім того, супутниковий моніторинг небезпечних метеоявищ (наприклад тайфунів) робить необхідним об’єднання зусиль гідрометслужб та обмін відповідною інформацією, оскільки погода не знає державних кордонів.
Узгодження міжнародних питань, що стосуються застосування космічних систем в прогнозуванні погоди, перебуває у віданні координаційної групи з метеорологічних супутників у рамках ВМО. Спільне використання супутникових метеосистем почалося ще в 1970-х роках. Особливо важлива координація у цій області зараз. Адже до складу міжнародної угруповання метеорологічних супутників, розміщених на геостаціонарній орбіті, входять космічні апарати багатьох країн: США, європейських держав, Росії, Індії, Китаю, Японії, Південної Кореї.
Перспективи космічної техніки у метеорології
Сучасні супутники, які ведуть спостереження за погодою, є частиною глобальної системи дистанційного зондування Землі і в цій якості мають серйозні перспективи розвитку.
По-перше, передбачається розширення їх участі у моніторингу природних загроз, стихійних лих, небезпечних явищ, прогнозування довгострокових кліматичних змін. По-друге, метеорологічні супутники Землі, безумовно, повинні знаходити все більше застосування як інструменти отримання знань про процеси в атмосфері та гідросфері, а також про стан геомагнітного поля, як прикладного, так і фундаментального наукового значення.
