Инструменты пользователя

Инструменты сайта


lesson04

Анализ спутниковых снимков

Орбиты метеоспутников

Метеоспутники как правило запускают либо на солнечно-синхронную орбиту, либо на геостационарную. Геостационарная орбита – это такая орбита, на которой период обращения спутника вокруг Земли равен ровно одним суткам. Таким образом получается, что спутник как бы «висит» над одной и той же точкой на экваторе. Расстояние от поверхности Земли до геостационарной орбиты около 35 800 км. С такой высоты спутник может обозревать около 1/3 всей поверхности Земли. На этой орбите расположены метеоспутники: GOMS (Россия), GOES-15 (США), Meteosat 10 (ЕС). Солнечно-синхронная орбита — это орбита, на которой спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Таким образом, угол освещения земной поверхности будет приблизительно одинаковым на всех проходах спутника. Такие постоянные условия освещения очень хорошо подходят для метеоспутников. Для достижения подобных характеристик параметры орбиты выбираются таким образом, чтобы орбита прецессировала в восточном направлении на 360 градусов в год (приблизительно на 1 градус в день), компенсируя вращение Земли вокруг Солнца. На этой орбите расположены метеоспутники: Метеор-М 2 (Россия), NOAA 15, 18, 19 (США). Метеоспутники, находящиеся на солнечно-синхронной орбите, не снимают сразу всю поверхность Земли, они сканируют изображение по одной строке и передают его на частоте около 137 МГц в аналоговом формате (APT). Специальные компьютерные программы собирают из этих строк готовые изображения.

Разрешение снимков

Разрешение снимков, полученных от спутников серии NOAA составляет 4 км на пиксель. Изображение складывается из двух ИК-каналов, с применением геометрической коррекции перспективных искажений. Таким образом мы получаем некое усредненное представление о реальной температуре в конкретной точке поверхности.

Так как наша планета имеет форму шара, то пиксели, расположенные в центре изображения, имеют размер 4 км на 4 км, а пиксели, расположенные по краям изображения имеют вытянутую форму – 4 км на 8 км или даже 4 км на 12 км.

Инфракрасное излучение

Метеоспутники фотографируют поверхность в видимом диапазоне и в инфракрасном (ИК) диапазоне. Инфракрасное излучение не видно человеческим глазом, но регистрируется камерой спутника. Инфракрасное излучение также называют «тепловым излучением», так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла.

Инфракрасный диапазон разделяется на несколько поддиапазонов.

Ближний ИК диапазон

  • частота ν (ню) — до 4 ·1014 Гц
  • длина волны λ (лямбда) — от 730 нм

Средний ИК диапазон

  • частота ν — до 6 ·1013 Гц
  • длина волны λ — от 5 мкм

Дальний ИК диапазон

  • частота ν — до 1013 Гц
  • длина волны λ — от 30 мкм

Влияние атмосферы

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от Солнца и переизлучают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом капли воды и водяной пар поглощают это инфракрасное излучение и вновь излучают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект удерживает атмосферу и поверхность в более нагретом состоянии, чем если бы в атмосфере отсутствовал водяной пар. Освещающий Землю солнечный свет частично поглощается атмосферой, поверхностью и облаками, а частично отражается от поверхности, облаков и аэрозолей. Камера спутника принимает это излучение и формирует изображение в видимом диапазоне. В инфракрасном диапазоне камера спутника также принимает излучение поверхности, облаков и атмосферы. Причем излучение поверхности частично поглощается атмосферой.

В результате взаимодействий с атмосферой интенсивность солнечного излучения у поверхности Земли по сравнению с ее значением в верхних слоях атмосферы уменьшается более, чем вдвое.

Солнечная радиация, поступающая к поверхности Земли, поглощается ею не полностью. Часть радиации отражается поверхностью, причем в отражении участвует только верхний слой земной поверхности, в котором происходит поглощение радиации и ее преобразование. К такому слою относятся весь травостой и растительная масса леса, первые десятки метров прозрачной и дециметры мутной воды, а также дециметры снега, несколько сантиметров песка и доли миллиметров темных почв. Отражательная способность поверхности Земли зависит от рода тел, их физических свойств, цвета и состояния. Отношение отраженной радиации к суммарной радиации Солнца и атмосферы называется альбедо. Значения альбедо чаще всего выражают в процентах. Альбедо земной поверхности изменяется в широких пределах. Это связано с типом ландшафтных зон, а в умеренных и высоких широтах еще и со сменой сезонов года. Так, в центральных частях полярных областей отражательная способность велика и мало меняется в годовом ходе: в Антарктиде – около 85 %, в центральной Арктике – около 80% . В июле уменьшение альбедо в Арктике (до 65 %) связано с более интенсивным таянием снега, чем в декабре в Антарктиде. Средние значения альбедо для различных видов поверхности суши (в%):

Альбедо водной поверхности в среднем меньше большинства естественных поверхностей суши и зависит от угла падения лучей, от высоты Солнца, соотношения прямой и рассеянной радиации, волнения поверхности моря. При положении Солнца в зените альбедо спокойного моря для прямой радиации составляет 2%. С уменьшением высоты Солнца альбедо возрастает. При большом волнении океана, когда образуется пена и барашки, альбедо моря увеличивается.   На следующих симках видно, что некоторые объекты лучше видны в ИК диапазоне. Например, тонкие облака.

Некоторые объекты наоборот лучше видны в видимом диапазоне.

На снимках в инфракрасном диапазоне белый цвет соответствует более холодным областям, а черный более теплым. Облака на этих снимках белые не потому что они белого цвета, а потому что они холодные.

По температуре облаков можно определить высоту облачности, ведь чем облака выше, тем они холоднее.

Диапазон ИК излучения с длиной волны 10 мкм. Волновой диапазон сильнейшего излучения Земли с небольшим поглощением и переизлучением (атмосферное окно).

Диапазон ИК излучения с длиной волны 6,2 мкм. Волновой диапазон со значительным поглощением водяным паром (Канал водяного пара)

Диапазон ИК излучения с длиной волны 3,9 мкм. Передает информацию одновременно о солнечном излучении и излучении Земли. Позволяет произвести визуализацию низких облаков и тумана ночью.

Также ИК диапазон позволяет разглядеть различные теплые объекты – города, и лесные пожары. Город Москва.

Лесной пожар на острове Калимантан. В видимом диапазоне виден только дым.

В ИК диапазоне 10 мкм тоже только дым.

В ИК диапазоне 4 мкм отчетливо видны очаги пожара.

Для того чтобы увидеть туман в ночное время используется метод вычитания сигналов ИК диапазонов. Из сигнала с длиной волны 4 мкм вычитают сигнал с длиной волны 10 мкм.

При создании урока использованы материалы:

Японского метеорологического агентства. www.jma.go.jp

Проекта www.meteosputnik.ru

М. А. Волкова, И. В. Кужевская «Климатология. Теоретические и прикладные аспекты»

lesson04.txt · Последние изменения: 2019/02/26 12:55 — golikov

Инструменты страницы