Meteorologické družice

15. prosinec 2002
Planetárium
Nejstarší obří černá díra může astronomům pomoct pochopit temné období vesmíru|foto: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

Rozhovor s Martinem Setvákem, vedoucím Družicového oddělení Českého hydrometeorologického ústavu.

Družicové snímky Země vídáme den co den v televizi a připadá nám to naprosto normální. Fronty či tlakové výše a níže se na počítačových animacích dramaticky přesunují sem a tam a nikoho před obrazovkou to neudiví. Zvykli jsme si. Není to přitom tak dávno, kdy jsme mohli v televizi vídat nanejvýš kreslené synoptické mapy a meteorologa s ukazovátkem. Data z družic přijímají naši meteorologové od konce 70. let minulého století; v současnosti jde o některé tzv. polární družice NOAA a geostacionární družici METEOSAT. Ta obíhá Zemi ve výšce 36 tisíc kilometrů v rovině zemského rovníku jednou za 24 hodiny; je tedy zdánlivě "zavěšena" ve stále stejném bodě - nad Guinejským zálivem, odkud pravidelně snímá celou Evropu a Afriku, západní Asii, část jižní Ameriky a většinu Atlantského oceánu. Její mise však pomalu spěje ke svému konci. 28. srpna 2002 byla totiž úspěšně vypuštěna nová meteorologická družice - "Meteosat druhé generace", který ji nahradí. Zatím se testuje. Data z něj budou meteorologům plně k dispozici někdy ve druhé polovině roku 2003. V čem je nový METEOSAT lepší, než jeho dosud aktivní předchůdce? Na to jsme se zeptali Martina Setváka, vedoucího Družicového oddělení ČHMÚ, které sídlí v Praze - Libuši.

Nová družice MSG Meteorologická družice Meteosat Second Generation, zkráceně MSG-1, je první družicí nové generace METEOSATů, používaných pro oblast Evropy, Atlantiku a Afriky. Tyto družice patří evropské organizaci EUMETSAT, sdružující v současnosti osmnáct členských a čtyři přidružené státy, které tento program meteorologických družic financují a družice vlastně správcují; řídí je, využívají jejich data a také navrhují družice nové. MSG-1 má někdy v průběhu příštího roku nahradit stávající METEOSATy, družice, z nichž vídáme každý večer obrázky v televizních relacích o počasí. Protože tyto družice jsou už poměrně zastaralé, rozhodl se EUMETSAT zhruba před 15 lety, že začne vyvíjet a navrhovat meteorologickou družici druhé generace. Původně se počítalo s tím, že by měla být vypuštěna někdy kolem roku 1999; různé technické obtíže však způsobily několikerý odklad startu. Až koncem srpna 2002 družici vynesla na oběžnou dráhu raketa Ariane-5. Nyní bude následovat přibližně roční až jeden a půl roku dlouhá perioda, kdy bude družice různě testována. Až poté budou data zpřístupněná široké odborné veřejnosti.

Čím se liší nová družice od současných METEOSATů? Vzhledem k tomu, že se jedná o družici nové generace, bude asi těch vylepšení celá řada - zejména co se přístrojového vybavení a nabídky dat týče?

Pro srovnání si můžeme například říci, že zatímco stávající METEOSAT snímá zemský disk 48x za 24 hodiny, tedy každých 30 minut, družice MSG ho bude snímat dvakrát tak často - každých 15 minut. Bude mít také výrazně větší geometrické rozlišení, rozezná tedy menší objekty, třeba mraky, než stávající METEOSAT. Hlavní rozdíl však bude ve značném nárůstu tzv. spektrálních kanálů. Spektrální kanál je určité pásmo elektromagnetického záření, ve kterém družice snímá. Zjednodušeně řečeno - máme obrázky ve viditelném oboru, tepelném oboru a v řadě dalších. Právě těchto spektrálních kanálů bude mít družice MSG celkem dvanáct, oproti třem u stávajícího METEOSATu.

Kdy jste tady na Libuši začali poprvé přijímat data z družic?

Tady na Libuši se chytá od 70. let. Prvním zlomovým bodem byla léta 1978-9, kdy zde bylo instalováno na tu dobu nesmírně moderní zařízení kanadské firmy MDA pro příjem digitálních dat z družic NOAA. Toto zařízení sloužilo až do roku 1995, což je dost neuvěřitelné, protože tím zhruba dvakrát přesáhlo svou plánovanou životnost, byť s různými obměnami. Další zlom pro nás nastal v letech 1994-5. V roce 1994 jsme instalovali zařízení pro příjem digitálních snímků z družic METEOSAT a o rok později i nové zařízení pro příjem dat z polárních družic NOAA.


Polární družice NOAA
Polární družice NOAA|foto: NOAA

Co to přesně znamená "polární družice"? Znamená to, jak by si třeba někdo mohl myslet, že ta družice visí nad pólem?

Ne, to je tak trochu slangové označení, kterého se užívá pro družice na kvazipolární dráze. Tyto družice nevisí nad polárními oblastmi. Název má původ ve skutečnosti, že jejich dráha je takřka kolmá na zemský rovník. Při každém obletu zeměkoule se proto tyto družice dostávají nad severní i jižní pól, samozřejmě přibližně. A právě z toho je odvozen název jejich dráhy i slangové označení družic. Tyto družice létají ve výškách zhruba 820-850 kilometrů, doba jejich oběhu je řádově 100 minut. Při svém letu snímají nepřetržitý pás území, široký přibližně 3000 kilometrů - 1500 km na obě strany od poddružicového bodu. Výsledkem je jakýsi nekonečný fotografický pás, široký právě ty 3000 km, nabalovaný do nekonečna kolem zeměkoule.

Čím je ta tzv. polární dráha výhodná?

Výhodná je zejména pro polární oblasti, kam geostacionární družice kvůli zkreslení nevidí. Říká se, že data z geostacionárních družic jsou využitelná zhruba do 55. až 60. stupně severní nebo jižní šířky. Co je severněji, případně jižněji, to už geostacionární družice vidí buď příliš ze šikma a nebo vůbec. Právě tyto oblasti jsou proto závislé pouze na datech z polárních družic. Tyto družice navíc létají po výrazně nižší dráze než družice geostacionární, mají tudíž blíž k zemskému povrchu a jejich rozlišovací schopnost je větší, alespoň prozatím. Díky tomu mohou například meteorologové rozlišit více typů oblačnosti, než by viděli z geostacionární družice. Když si ovšem srovnáme stupeň rozlišení meteorologických družic s družicemi, které jsou určeny třeba k dálkovému průzkumu Země vidíme, že se pohybujeme zhruba o tři řády níž. Jejich rozlišovací schopnosti můžeme totiž vyjádřit v metrech až desítkách metrů, zatímco u polárních družic je rozlišení zhruba kilometrové.

Vaší prací je tedy kombinování údajů z družic NOAA a z METEOSATu. Z kolika družic celkem k vám přicházejí data?

Začnu polárními družicemi NOAA. Jejich pojmenování je zkráceninou anglického názvu Národní agentury pro oceány a atmosféru, tedy National Oceanic and Atmospheric Administration, My v současné době přijímáme data z družic NOAA-16 a NOAA-17, což jsou vlastně nejmodernější meteorologické družice, určené pro operativní využití, které se na polární dráze nacházejí. Kromě těchto družic chytáme i stávající evropskou geostacionární družici METEOSAT-7. A to je vlastně všechno. Kdybych měl hovořit objemově: z polárních družic dostaneme denně zhruba 1,25 GB dat, z METOSATu chytáme denně asi kolem 100 MB. Značnou část těchto dat je nutné někde archivovat a zpracovat, což klade zvýšené nároky na výpočetní techniku a úložné prostory.

Když se říká "data", oč vlastně jde? Jenom o obrázky a nebo i o nějaké jiné údaje?

Jsou to především obrázky v digitální podobě. Každý takový obrázek má nějaké rozměry, vyjádřené v obrazových bodech, pixelech. V každém jednotlivém pixelu družice provádí měření, a to v už zmíněných několika spektrálních kanálech. Každý spektrální kanál je zpravidla reprezentován osmi nebo desetibitovou úrovní uložení informace v daném pixelu. Zjednodušeně řečeno: jsou to obrazová data. Kromě nich získáváme z polárních družic i tzv. data TOVS. To je zkratka pro přístrojový komplex, umožňující nepřímou vertikální sondáž atmosféry. Jde o to, že zatímco při přímé sondáži atmosféry měříme profily různých meteorologických prvků pomocí balonů, které do atmosféry vypouštíme ze země, tak u nepřímé sondáže z družic se snažíme odvozovat vertikální chod těchto prvků na základě pohledu z oběžné dráhy. Je to trochu méně přesné, ale na druhou stranu získáváme kompletní pokrytí území, které ta družice vidí pod sebou. Čili - balonové měření je sice přesnější, ale pouze bodové. Naproti tomu družicové měření vertikálního složení atmosféry není tolik přesné, ale zato je velkoplošné. Ty údaje se vzájemně doplňují a všechny se používají v tzv. numerických modelech pro předpověď počasí.

Tady u nás, v České republice, se tedy přijímají data z meteorologických družic od 70. let. Podobné družice však kroužily kolem naší planety už o řadu let dříve. Kdy se vůbec na oběžné dráze objevila první meteorologická družice?

První úplně operativní meteorologická družice, označená TAIROS-1 byla vypuštěna 1. dubna 1960. Touto družicí byla zahájena éra družic na polárních drahách. Jejich přístrojové vybavení bylo zpočátku poměrně primitivní. Postupně se však zdokonalovalo až po současné, tzv. skenující radiometry s poměrně vysokou přesností. Mám-li však být upřímný, historie meteorologických družic sahá podstatně dál do minulosti. Již ve 20. a 30. letech si řada autorů tehdejší vědeckofantastické literatury uvědomila, že umístit družici na oběžnou dráhu, ať už nějakou nízkou a nebo geostacionární, by vlastně bylo pro meteorology nesmírně výhodné. Umožnilo by to nepřetržité sledování počasí na obrovském území. Dalším milníkem byla druhá světová válka a s ní spojený rozvoj raketové techniky. Ta sice původně nebyla určena k účelům právě bohulibým, vzpomeňme třeba ostřelování Londýna raketami V-2, ale právě tyto rakety stály později, koncem 50. a začátkem 60. let u prudkého rozvoje ať již americké a nebo ruské raketové techniky, kterou používáme dodnes. Paradoxně tedy tak trochu vděčíme druhé světové válce za to, že máme meteorologické družice tam, kde jsou.

Nejviditelnějším produktem práce s daty, přicházejícími z meteorologických družic, jsou krátkodobé předpovědi počasí. Zmíněná data se však dají použít i k lecčemu jinému. Ostatně ani samotné družice tu nejsou jen kvůli pořizování snímků, pokud vím?

Především bych k tomu rád řekl, že samotná družice žádné počasí nepředpovídá, jak se často můžeme dočíst v novinách. Dokonce jsem někde viděl titulek "Evropa vystřelila nový METEOSAT, který bude předpovídat počasí". To je samozřejmě nesmysl. Všechny meteorologické družice poskytují informace o momentálním stavu atmosféry. Hodně záleží na tom, jak přesně jsou schopné momentální stav zobrazit, popsat a nebo naměřit; důležité je i o to, jak potom samotní meteorologové dokáží získané údaje zapracovat do svých numerických modelů. Teprve tyto modely počítají počasí do budoucna. Družice tedy vidí pouze současný stav, nevidí budoucnost a nikdy ji vidět nebudou. Oblastí využití meteorologických družic je samozřejmě spousta. Klasické družicové snímky nám ukazují polohu front a cyklon, v tropických oblastech zaznamenávají tropické cyklony či hurikány, vidíme na nich i rozvoj bouří. Možné je však i dlouhodobější využití, třeba pro sledování klimatických změn. Tím mám na mysli především družicové sledování dlouhodobého rozložení oblačnosti nad nejrůznějšími oblastmi Země. Díky němu máme dnes k dispozici průměrné stavy pokrytí těchto území oblačností za posledních zhruba čtyřicet let. Družice v současné době také například monitorují stav vegetace v různých částech světa a její ubývání; týká se to zejména tropických a subtropických oblastí, kde je různou kombinací spektrálních pásem možné nepřímo odhadovat a nebo přímo určovat kolik vegetace a v jakém stavu kde je. Pomocí družic je tedy například možné dokumentovat odlesňování tropických pralesů nebo rozšiřování pouští. Už jsem se zmiňoval o družicové sondáži atmosféry. To je samozřejmě odvětví, které se bude dál rozvíjet a zpřesňovat, protože od toho, jak dalece a přesně dokážeme popsat atmosféru a to co se v ní odehrává se potom odvíjí ta vlastní předpověď, tedy to, co vstupuje do numerických modelů. Čím přesnější budou družicové údaje o stavu atmosféry, a to ve třech rozměrech, tedy nejen plošně, ale i s výškou, tak tím přesnější by mohly být do budoucna numerické modely a tím pádem i předpovědi, které meteorologové na jejich základě vytvářejí. Další zajímavou sférou využití meteorologických družic je detekce blesků. Už například existují skupiny družic, které jsou schopné v optické oblasti detekovat jednotlivé výboje, i když zatím spíš experimentálně. K tomuto účelu samozřejmě existuje i řada pozemských přístrojů, i my využíváme takovou detekční síť, ale zase jsou to sítě, které mají jen omezený dosah a přesnost. Družicová pozorování blesků jsou proto zajímavou alternativou a doplňkem k pozemním měřením. Kromě toho všeho slouží meteorologické družice už tradičně nejen k získávání dat, ale i k jejich retranslaci, tedy přenosu. Sbírají například data z automatických meteorologických stanic, umístěných v nedostupných oblastech - v pouštích, v oblastech arktických, na oceánech a nebo volně plující v balonu kdesi vysoko v ovzduší. Tato data pak předávají do meteorologických center. Poslední oblastí využití družic je předávání meteorologických informací do míst, která jsou na tom trochu hůře z hlediska meteorologického zázemí; nemají třeba kvalitní připojení na internet a nemohou proto touto cestou získávat předpovědi z vyspělých center. K vysílání informací pro tamní meteorologické služby se pak užívají právě meteorologické družice.

Není vyloučeno, že budoucnost přinese i další možnosti využití meteorologických družic a my možná budeme za pár let u interaktivních televizních předpovědí počasí už jen nostalgicky vzpomínat na ty nudné animace putujících front a frontálních systémů, které nám dnes připadají tak moderní a vrcholně akční.
K rozhovoru s Martinem Setvákem se ještě sluší dodat, že pokud se vám nechce čekat na nejbližší relaci o počasí, můžete si nejnovější obrázky z družic NOAA a METEOSAT prohlédnout i na internetu, na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu. Adresa je jednoduchá: www.chmi.cz.

Frederik Velinský
Fotografie: EUMETSAT, NOAA. Z archivu ČHMÚ poskytl Martin Setvák.

DODATEK
Konkrétní odkazy na některé webové stránky:
Aktuální snímky z družice METEOSAT.
Snímky z polárních družic NOAA.
Družicové oddělení ČHMÚ. (Tady najdete další podrobné informace o družicích, aktuality a odkazy na další zajímavá místa na Internetu.)

autor: frv
Spustit audio
Jak nás naladíte na DABu

Více z pořadu

E-shop Českého rozhlasu

Kdo jste vy? Klára, nebo učitel?

Tereza Kostková, moderátorka ČRo Dvojka

jak_klara_obratila_na web.jpg

Jak Klára obrátila všechno vzhůru nohama

Koupit

Knížka režiséra a herce Jakuba Nvoty v překladu Terezy Kostkové předkládá malým i velkým čtenářům dialogy malé Kláry a učitele o světě, který se dá vnímat docela jinak, než jak se píše v učebnicích.

Zprávy z iROZHLAS.cz