Niezwykłe wykorzystanie światła Księżyca w teledetekcji satelitarnej

Jest to satelita polarny, który w przeciwieństwie do satelitów meteorologicznych geostacjonarnych okrąża naszą planetę na stosunkowo niskiej orbicie (824 km), przechodzącej także nad jej obszarami biegunowymi i pozwalającej na obrazowanie z wysoką rozdzielczością Polski do kilku razy na dobę. Warto dodać, że w ciągu doby typowy satelita na orbicie polarnej (inaczej okołobiegunowej) jest w stanie zebrać dane z całej powierzchni Ziemi nawet dwukrotnie. W porównaniu ze współczesnymi satelitami geostacjonarnymi, które przesyłają nam obrazy danego wycinka planety nawet co 5 minut, czyli 12 razy na godzinę i 288 (!) razy na dobę, wydaje się to wprawdzie niewiele, ale – po pierwsze – każdy satelita polarny obserwuje Ziemię z dużo niższej wysokości i przez to dużo dokładniej, i – po drugie – satelity okołobiegunowe są niezastąpione w obrazowaniu tych partii Ziemi, które znajdują się daleko na północ (i odpowiednio na południe) od równika, czyli właśnie obszarów polarnych. Ze względu na ograniczenia geometryczne żaden satelita geostacjonarny, znajdujący się z definicji zawsze nad danym punktem Ziemi, ale tylko pod warunkiem, że umieści się go dokładnie nad równikiem i na określonej wysokości, obszarów położonych powyżej określonych szerokości geograficznej nigdy po prostu nie zobaczy. 

SUOMI NPP fotografuje Ziemię w kilku kanałach – na różnych długościach fali obserwacji. Satelita ma na swym pokładzie między innymi radiometr VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) – specjalny instrument umożliwiający dokonywanie pomiarów natężenia promieniowania w różnych zakresach spektrum elektromagnetycznego, od podczerwieni po światło widzialne. Pomiary te są następnie systematycznie przesyłane na Ziemię, gdzie odbiera się je za pomocą dedykowanych anten satelitarnych. Naukowcy, którzy znają podstawy fizycznych procesów zachodzących w wyniku wzajemnych oddziaływań promieniowania (między innymi słonecznego) z atmosferą i powierzchnią planety, analizują je wówczas, by na bieżąco otrzymywać informacje na temat zachmurzenia, opadów, mgieł i innych czynników mających pływ na obecną i przyszłą pogodę, a pośrednio również na bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe. Dane z SUOMI NPP pozwalają dodatkowo na monitorowanie pożarów, oceanów, ruchów mas lodu, zmian w pokrywie roślinnej oraz globalnego klimatu Ziemi.

W przypadku czujnika VIIRS satelity SUOMI NPP na szczególną uwagę zasługuje kanał o nazwie DNB (Day and Night Band) VIIRS. Z jego pomocą możemy mierzyć odbite od powierzchni Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,7 µm. Pozwala to na fotografowanie chmur i powierzchni w ciągu dnia, ale dużo ciekawsza jest możliwość uzyskiwania wyraźnych obrazów powierzchni Ziemi także w nocy, przy czym rejestruje się je w świetle widzialnym Księżyca. Księżyc świeci oczywiście odbitym od swej powierzchni światłem słonecznym, ale podczas gdy  światło słoneczne pochodzi z emisji, obserwowane na Ziemi światło Księżyca pochodzi głównie z jego odbijania się od powierzchni naszego naturalnego satelity. Spektrum odbitego (i na skutek tego odbicia znacznie osłabionego) światła Księżyca różni się zatem bardzo od pierwotnego światła Słońca – jest to przede wszystkim emisja znacznie osłabiona w stosunku do światła wyemitowanego przez Słońce. Specyficzna długość fali  0,7 µm pozwala jednak na efektywne wychwytywanie tej odbitej emisji.

Możliwość uzyskania zdjęcia wycinka Ziemi w świetle widzialnym w porze nocnej zależy przy tym ściśle od aktualnej fazy Księżyca. Pomiary te są najdokładniejsze i najbardziej wartościowe podczas pełni, czyli wtedy, gdy obszar ten jest lokalnie oświetlany przez cała tarczę Księżyca. Wówczas na zdjęciach z instrumentu VIIRS można łatwo rozróżniać chmury określonego typu, a także dym, śnieg i mgły. Inna jest natomiast sytuacja podczas I i III kwadry Księżyca, a w szczególności w nowiu – widoczne są wówczas przede wszystkim oświetlone miasta, pożary i błyskawice, ale także inne, jasne same z siebie obiekty i zjawiska – w tym zorze polarne. O obecności chmur świadczy jedynie rozmycie świateł miast.

Podczas pełni, na obrazach w kanale DNB wyraźnie widoczne są chmury oraz inne trudne do identyfikacji na nocnych zdjęciach w kanałach termalnych obiekty, jak np. obecność pokrywy śnieżnej. Cechy te sprawiają, że kompleksowe wykorzystanie całodobowych danych z kanału DNB pozwala na lepszą diagnozę sytuacji meteorologicznej w nocy i tym samym ma istotne znaczenie dla przewidywania pogody.

Warto na koniec dodać, że dane zbierane przez SUOMI NPP są intensywnie wykorzystywane także w Polsce – przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej IMGW-PIB. Transmisje z tego satelity odbierane są za dnia oraz nocami w Dziale Teledetekcji Satelitarnej zlokalizowanym w Krakowie. Wykorzystuje się je między innymi do monitorowania i prognozowania pogody w trybie bieżącym.

Elżbieta Kuligowska, Bożena Łapeta, Dział Teledetekcji Satelitarnej w Krakowie, IMGW-PIB