Prognoze de pe orbită Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Aeolus – un satelit nou, dotat cu laser – a fost conceput pentru a oferi meteorologilor date complexe despre curenţii de aer, date de care ei au nevoie pentru a ne furniza o prognoză meteorologică mai bună.

Verificarea previziunilor meteo pe telefon, pe calculator, la radio sau la televiziune face parte din viaţa cotidiană. Da, prognozele meteo sunt importante pentru planificarea activităţilor noastre zilnice – dar ele sunt importante şi pentru numeroase sectoare ale societăţii, precum transportul, agricultura, comerţul şi industria. Beneficiile economice şi sociale ale previziunilor meteorologice precise sunt imense: ele ne oferă din timp informaţiile necesare pentru pregătirea şi luarea deciziilor, indiferent dacă acestea privesc gestionarea drumurilor, luarea de decizii privind traficul aerian sau maritim, irigarea culturilor agricole sau planificarea lucrărilor de construcţii. În extremis, atunci când ştim că urmează o vreme rea, vom putea să ne protejăm proprietăţile şi să salvăm vieţi. Dar ce rol are cunoaşterea ştiinţifică a planetei noastre în astfel de predicţii?

Storm ahead
Prognoza ne poate avertiza privind eventualele fenomene meteorologice periculoase.
Michael Rogers/Unsplash.com

Colectarea datelor

Crearea prognozelor meteo este un proces complex care implică colectarea cât mai multor date de măsurare privind starea atmosferei – în special temperatura, presiunea, umiditatea şi vântul. Aceste date sunt obţinute de la o reţea globală de staţii meteorologice şi de la alte surse de monitorizare, de la baloane meteo la nave maritime şi linii aeriene regulate – dar şi de la sateliţi.

Încercările de a prognoza vremea coboară în timp până la grecii antici, însă colectarea sistematică a informaţiilor de utilizat în prognozele meteorologice a început în secolul al XIX-lea. Apariţia sateliţilor, în urmă cu cinci decenii, a dus la îmbunătăţirea substanţială a predicţiei meteorologice şi la înţelegerea climei. Astăzi, aproximativ 90% din datele utilizate de modelele numerice meteorologice provin de la sateliţi. Acestea includ observaţii globale despre zăpezi şi gheaţă, despre radiaţiile cu microunde şi infraroşu, despre vânturile derivate din mişcarea suprafeţei mărilor, precum şi despre norii. Datele detectate de la distanţă de sateliţi, corelate cu alte măsurători, sunt folosite în modelele numerice de predicţie, modele care sunt derulate pe supercomputere aflate în centrele meteorologice din întreaga lume şi care conlucrează pentru a prognoza vremea. De exemplu, sistemul de prognoză meteo de la Centrul European pentru Prognoze Meteo pe Termen Mediu (ECMRWF) din Marea Britanie procesează zilnic 40 de milioane de observaţii individuale şi integrează aceste date în propriul model de prognozare a vremii.

Maxime şi minime

Prognozele meteo se bazează pe date de la sateliţi aflaţi pe două tipuri diferite de orbită, şi care oferă perspective complementare asupra Terrei şi asupra fenomenelor meteorologice în desfăşurare. Sateliţii de pe orbita geostaţionară se află la aproximativ 36 000 km deasupra ecuatorului, în timp ce sateliţii de pe orbita polară înconjoară Terra deasupra celor doi poli şi la o altitudine mult mai mică, de câteva sute de kilometri.

Orbita geostaţionară de înaltă altitudine permite ca o mare parte a scoarţei Pământului să fie vizualizată în mod continuu. De exemplu, sateliţii europeni geostaţionari Meteosat observă constant Europa şi Africa, în timp ce sateliţii americani NOAA GOES fac acelaşi lucru pentru America. Punctul foarte înalt de observare permite monitorizarea continuă a evenimentelor cu evoluţie rapidă, furnizând avertizări prealabile privind fronturile de furtună continentală, uraganele şi alte fenomene meteo distructive.

NOAA satellite image of hurricane Florence
Imagine de la un satelit NOAA GOES care arată o furtună ce se apropie de coasta sud-estică a SUA; septembrie 2018
NOAA, CC0
 

Însă există şi părţi ale planetei pe care sateliţii geostaţionari nu le văd niciodată, iar depărtarea lor de suprafaţa Pământului limitează rezoluţia datelor obţinute. În schimb, sateliţii de pe orbite polare pot colecta în câteva zile date de pe întreaga planetă, iar orbita lor inferioară permite generarea de date cu precizie mult mai înaltă decât poate fi obţinută de obicei de la sateliţii geostaţionari. Există o flotă de sateliţi meteorologici care operează pe orbite polare, inclusiv sateliţii MetOp (Europa) şi JPSS (SUA).

Loc pentru îmbunătăţiri

Deşi prognozele noastre meteorologice sunt mai exacte decât oricând, există pe mai departe dorinţa de a le îmbunătăţi, în special în ceea ce priveşte prognozele pe termen lung. Natura haotică a atmosferei, precum şi nevoia de a înţelege mai detaliat procesele implicate, constituie o motivaţie solidă pentru a obţine noi tipuri de informaţii. Acest lucru nu numai că va ajuta la o mai bună prognozare meteo, ci şi la înţelegerea ştiinţifică a modului în care funcţionează atmosfera şi a implicaţiilor pe termen lung ale schimbărilor climatice.

În ultimele decenii, meteorologii au susţinut că, în particular, există o lipsă de date precise privind manifestările vânturilor la nivel global, şi că acestea ar fi necesare pentru a îmbunătăţi acurateţea prognozelor. Ca răspuns, Agenţia Spaţială Europeană (ESA) a lansat un nou satelit în 2018, destinat în mod special să ofere informaţii mai bune despre vânturi. Satelitul este numit Aeolus, după personajul din mitologia greacă însărcinat de zei să ‘gestioneze vânturile’. Deci, cum va contribui acest satelit la prognoza meteo?

The Aeolus satellite
Satelitul Aeolus este
conceput pentru a obţine
date despre vânuri din
întreaga lume, folosind
inovatoarea tehnologie
‘lidar’.
P Carril/ESA
 

Profilele eoliene reprezintă un element esenţial al prognozării meteorologice pe termen mediu şi lung, precum şi un element-cheie pentru modelarea schimbărilor climatice. Aceasta deoarece vântul este o componentă importantă a echilibrului energetic al Pământului. În esenţă, unele zone ale Pământului primesc mai multă căldură de la Soare decât altele, ceea ce duce la diferenţe de temperatură, de densitate şi de presiune a aerului. La rândul lor, aceste diferenţe provoacă mişcarea aerului, generând vânt. Curenţii de aer transportă căldura departe de regiunile ecuatoriale, înspre poli, şi se întorc spre tropice cu aerul mai rece. Rotaţia Pământului influenţează şi ea sistemele eoliene de scară largă, precum curentul circumpolar antarctic sau alţi curenţi atmosferici/marini globali. Aceste efecte formează baza circulaţiei atmosferice, care guvernează vremea şi clima.

Există o varietate de surse care furnizează informaţii despre vânturi: staţii meteorologice, baloane meteorologice, aeronave, precum şi observaţiile satelitare despre norii în mişcare şi despre agitaţia marină/oceanică. Însă până de curând mari porţiuni ale atmosferei au fost incomplet observate – tropicele, oceanele, emisfera sudică, regiunile polare (adică zone în care există puţine staţii meteorologice sau baloane), precum şi atmosfera superioară. Astfel că, pentru a anticipa cât mai bine vremea, devin necesare observaţiile eoline directe care să acopere întreaga atmosferă – atât pe orizontală cât şi pe verticală.

Satelitul Aeolus este echipat cu tehnologie laser inovatoare (vedeţi caseta de text). Cu aceasta se permite pentru prima oară maparea şi monitorizarea globală a câmpurilor eoliene până la o altitudine de 30 km, inclusiv în zonele care nu sunt bine acoperite de sistemele de observare existente. De acum, pe altitudine este inclusă şi troposfera, unde se formează vremea care ne afectează viaţa. Deşi misiunea Aeolus este programată să dureze iniţial doar trei ani, este de aşteptat ca ea să ducă la o nouă generaţie de instrumente satelitare concepute pentru prognozele meteorologice de rutină.

Wind data from Aeolus
Date eoliene globale provenite de la Aeolus, care arată viteza, altitudinea şi locaţia vânturilor
ESA/ECMWF
Subtropical jets: Curenţii subtropicali; Polar vortex seen from the east (blue): Vortexul polar văzut dinspre est (albastru); Polar vortex seen from the west (red): Vortexul polar văzut dinspre vest (roşu); Height (km): Altitudinea (km); Wind speed (m/s): Viteza vântului (m/s); Arctic: Arctic; Equator: Ecuator; Antarctica: Antarctica; Equator: Ecuator

Dincolo de prognozarea meteo

Datele satelitare devin din ce în ce mai importante în multe aplicaţii de zi cu zi, altele decât prognoza meteo. În privinţa poluării atmosferice, care este o problemă majoră a sănătăţii mediului, previziunile zilnice includ adesea avertismente privind calitatea scăzută a aerului, iar datele de la satelit sunt folosite pentru a face ca aceste previziuni să se menţină cât mai aproape de realitate. De exemplu, satelitul Sentinel-5 Precursor, din programul european Copernic, cartografiază o multitudine de gaze poluante, cum ar fi dioxidul de azot, metanul, monoxidul de carbon, ozonul şi dioxidul de sulf. Acest satelit oferă factorilor de decizie informaţiile necesare pentru combaterea poluării aerului, dar oferă şi date care îi ajută pe oamenii de ştiinţă să înţeleagă procesele atmosferice legate de schimbările climatice – de exemplu, despre apariţia de găuri în stratul de ozon.

Pentru a monitoriza modificările mediului în contextul schimbărilor climatice, sateliţii urmăresc mai mulţi factori: dinamica şi compoziţia atmosferei, acoperirea cu gheaţă şi volumul gheţii, altitudinea şi temperatura suprafeţei mării, modul de utilizare a terenurilor şi urbanizarea, şi altele. Acesta constituie singurul mod realist de observare a Pământului în ansamblu şi de generare a informaţiilor necesare pentru a înţelege cum funcţionează Pământul ca sistem – şi, desigur, pentru a înţelege impactul pe care îl au oamenii asupra proceselor naturale.

Aeolus: lasere în spaţiu

The lidar (laser radar) technology on board Aeolus
Tehnologia lidar (radar laser)
care se foloseşte la bordul lui
Aeolus (faceţi click pe
imagine pentru a o mări)

ESA/ATG medialab/Nicola Graf
Receiver: Receptor; Transmitter
laser: Emiţătorul de laser;
Telescope: Telescop; Emitted
laser pulse: Pulsul de laser
emis; Lidar line of sight: Linia
optică a fascicolului
lidar; Backscattered light:
Lumină dispersată
 

Lansat pe 22 august 2018, satelitul Aeolus poartă unul dintre cele mai sofisticate instrumente care au fost lansate vreodată pe orbită. În inima lui Aeolus se află un sofisticat ‘lidar’ eolian bazat pe efectul Doppler, adică un fel de radar cu lumină. Unul dintre obiectivele misiunii Aeolus este de a testa în spaţiu această nouă tehnologie – tehnologie ce cuprinde un laser de putere, un telescop mare şi un receptor foarte sensibil.

De pe orbita sa de 320 km, laserul emite impulsuri scurte de lumină ultravioletă (cu lungimea de unda de 355 nm), respectiv de 50 de ori pe secundă. Această lumină coboară prin atmosferă, iar o mică parte din ea este dispersată de către particulele care se mişcă odată cu vântul – molecule de aer, praf, particule de gheaţă şi picături de apă. Lumina dispersată este colectată de telescopul optic şi detectată de un receptor extrem de sensibil: receptorul poate înregistra până la minim patru fotoni pe metru, de-a lungul fasciculului laser.

La fel ca radarul pe care poliţia îl foloseşte pentru a depista vitezomanii, dispersia luminii la contactul cu particulele determină o mică ‘deplasare Doppler’ între frecvenţele luminilor emise şi respectiv recepţionate de Aeolus. Din această ‘deplasare’ se pot calcula vitezele vânturilor de-a lungul direcţiei vizate de satelit, cu o precizie de aproximativ 2 m/s.

Download

Download this article as a PDF

Resources

  • Aflaţi mai multe despre misiunea satelitului Aeolus de pe web-site-ul ESA.
  • Aflaţi despre rolul sateliţilor în predicţia meteorologică numerică folosind un modul interactiv de la Centrul European pentru Prognoze Meteo pe Termen Mediu (ECMWF).
  • Organizaţia Europeană pentru Exploatarea Sateliţilor Meteorologici (EUMETSAT) operează un complement de sateliţi meteorologici pentru a monitoriza clima şi pentru a dezvolta scenarii meteorologice. Aflaţi mai multe despre misiunea şi activităţile sale prin web-site-ul EUMETSAT.
  • Vizionaţi un film scurt de la Serviciul Meteorologic Naţional al Marii Britanii care explică cum sunt create prognozele meteo.
  • Pe web-site-ul ESA Education sunt disponibile resurse care pot fi folosite la instruirea elevilor privind monitorizarea terestră şi a climei.
  • Browser-ul EO şi hub-ul Sentinel sunt instrumente on-line care permit tuturor utilizatorilor să acceseze imagini satelitare actuale. Aflaţi cum să folosiţi browserul EO din ghidul utilizatorului.

Institution

ESA

Author(s)

Honora Rider a lucrat pentru ESA din 2002. Ea este consultantul editorial al Directoratului pentru Observarea Pământului al ESA. Honora Rider deţine o diplomă în ştiinţele mediului de la Open University, Marea Britanie.

Anne Grete Straume a lucrat la ESA începând din 2004 şi este cercetător la misiunea Aeolus a ESA. Ea are un doctorat în meteorologie de la Universitatea din Bergen, Norvegia, şi, înainte de a se alătura ESA, a lucrat ca cercetător în domeniul circulaţiei poluanţilor aerieni, al circulaţiei atmosferice şi al detectării de la distanţă a gazelor atmosferice.


Review

Prognozarea meteorologică precisă devine tot mai importantă pentru viaţa noastră pe Pământ – şi aceasta datorită schimbărilor climatice şi creşterii temperaturilor, atât la nivel global cât şi la nivel regional. Pentru a obţine previziuni cât mai precise se concep şi se lansează în spaţiu sateliţi noi, precum Aeolus.

Acest articol poate fi folosit pentru a preda elevilor mai multe subiecte, de la mediul înconjurător până la optică şi inginerie. Următoarele întrebări ar putea fi incluse într-un exerciţiu de înţelegere:

  • De ce este importantă prognoza meteo pentru viaţa noastră de zi cu zi? Daţi câteva exemple.
  • Cum se realizează prognozarea meteo în zilele noastre?
  • De ce pentru prognozarea meteorologică cele mai multe date vin de la sateliţi?
  • Numiţi câţiva sateliţi meteorologici care sunt acum în spaţiu.
  • De ce informaţiile despre curenţii de aer sunt importante pentru prognozarea meteo?
  • Ce este LIDAR-ul şi cum funcţionează el?

Gerd Vogt, profesor de fizică şi de tehnologie, Şcoala Secundară Superioară pentru Mediu şi Economie, Yspertal, Austria




License

CC-BY