Bog vetra iz orbite na pomoč meteorologom

Meteorologi dobivajo novo močno orodje za bolj natančne vremenske napovedi. Satelit evropske vesoljske agencije Aeolus, ki so ga sinoči iztrelili iz Francoske Gvajane, bo z globalnimi meritvami zračnih tokov izboljšal napovedi in pripomogel k razumevanju podnebnih sprememb. 



Satelit, ki je dobil ime po grškem bogu vetra Eolu in je vreden 480 milijonov evrov, bo z ultravijoličnimi laserskimi žarki spremljal veter od tal do višine 30 kilometrov. Esa je misijo izbrala že leta 1999 in bo, kot pravijo, »lep dodatek floti satelitov, ki kontinuirano opazujejo Zemljo, atmosfersko dinamiko in klimatske procese, torej sisteme, ki vplivajo na naš vsakdanjik in imajo velike posledice za našo prihodnost«.



»Opazovanja atmosfere so ključna za razumevanje procesov v okolju. Satelit Aeolus pri tem pomeni velik napredek, saj bo prvi meril veter globalno iz vesolja. Poleg boljšega razumevanja atmosferskih procesov bo misija omogočila bolj kakovostne napovedi vremena,« poudarja meteorolog Matic Šavli, ki se je s simuliranimi opazovanji satelita Aeolus ukvarjal pri pripravi doktorata.

Meteorologi opazovanja klasificirajo na več načinov. »Delimo jih na satelitska, letalska in talna. Glede na fizikalne lastnosti je najbolj primarna delitev na opazovanja polja mase, to so opazovanja temperature, tlaka in vlage, ter opazovanja vetra. Vsak dan pridobimo več 100 milijonov opazovanj, toda od teh je okoli 90 odstotkov opazovanj polja mase.«

Pomanjkljive meritve vetra

Informacije o vetru zdaj pridobivajo iz različnih virov: z opazovanji pri tleh, vremenskimi baloni in letali, saj neposrednega satelitskega opazovanja ni bilo. Hitrost in smer vetra ocenjujejo tudi posredno iz posnetkov spreminjanja oblačnosti, kjer pa so napake lahko zelo velike.

Šavli pojasni, da so pomanjkljivi podatki o gibanju zračnih mas povezani predvsem s pomanjkanjem instrumentov. »Večina opazovanj vertikalnih profilov vetra (radiosondaže) se opravi nad kopnim na gosto poseljenih območjih. Opazovanja z letal se izvajajo samo na višini leta in predvsem na severni polobli, indirektne meritve vetra s spremljanjem gibanja oblakov pa pridobimo le od tam, kjer so oblačne plasti. Največje sive lise so oceani, tropski pas in južna polobla, saj tam neposrednih opazovanj tako rekoč ni,« razloži sogovornik.

Informacije o polju vetra dobijo z modeli za napoved vremena in opazovanj, ki so na voljo. »Fizikalni zakoni, ki povezujejo porazdelitev polja mase in polja vetra v ozračju, ne veljajo povsod enako. V zmernih zemljepisnih širinah za procese prostorskih skal tisoč kilometrov (na primer ciklonalni sistemi) sta polje mase in vetra dobro sklopljena, tako da lahko informacijo o vetru dobimo posredno iz informacije o temperaturi. To pa ne velja v tropskih predelih, kjer je interakcija med temperaturo, vlago in vetrom zelo kompleksna. Nova opazovanja vetra bodo pripomogla predvsem k boljšemu razumevanju cirkulacije v tropih. Podobno so opazovanja vetra ključna pri razumevanju procesov na manjših prostorskih skalah, kot so fronte v severnem Atlantiku.«

Kaj bo prinesel satelit

Velikokrat bi si želeli do minute natančno vremensko napoved, zlasti ko so napovedani skrajni vremenski pojavi. Toda za izboljšanje napovedi je treba izboljšati tako modele kot začetne pogoje. Po Šavlijevih besedah za to potrebujemo čim bolj natančno informacijo o vseh spremenljivkah v vsaki računski točki tridimenzionalnega modelskega prostora.

Nova opazovanja vetra bodo pripomogla k boljši pripravi začetnih pogojev za modele za numerično napovedovanje vremena, ki rešujejo sistem parcialnih diferencialnih enačb. Te opisujejo časovne in krajevne spremembe temperature, tlaka, vetra in vlage v ozračju.

Aeolus, ki bo zbiral podatke s skoraj kateregakoli konca planeta, bo po pričakovanjih meteorologov najbolj izboljšal opazovanja tropskih predelov, ki so pomembni tudi za nas oziroma za srednjeročno napoved nad Evropo.

O vetru (video je v angleščini):


Sogovornik poudarja, da bodo nova opazovanja za modele na omejenem območju, to so mezoskalni modeli, in na višji prostorski ločljivosti, kakršne uporabljajo tudi na agenciji za okolje, manj uporabna kot za globalne modele. Glavni namen mezoskalnih modelov je namreč bolj natančno opisati vremenske pojave na manjših prostorskih in krajših časovnih skalah, ki jih globalni modeli zaradi slabše ločljivosti ne morejo predstaviti. Opazovanja Aeolusa pa niso predvidena za opazovanje tovrstnih pojavov. Ne glede na to je zaradi splošnega pomanjkanja opazovanj profilov vetra (informacija o vertikalnem striženju vetra) pomembno uporabiti čim več dostopnih opazovanj in meritve Aeolusa bi lahko izboljšale tudi napoved v mezoskalnih modelih, če bi bila opazovanja dostopna ob pravem času, pravijo meteorologi z ljubljanske fakultete.



»V povezavi s tem je na katedri za meteorologijo na fakulteti za matematiko in fiziko potekal večletni projekt Mezoskalni profili vetra in asimilacija podatkov za numerično napovedovanje vremena, ki ga je financirala evropska vesoljska agencija v okviru programa pridruževanja Slovenije Esi. Rezultati projekta so predvsem pokazali izboljšanje v postopku priprave začetnih pogojev v primeru hladne fronte v Severnem Atlantiku. Te so še posebej pomembne za kakovostno napoved vremena v Evropi,« pojasni Šavli.

Nepopolni numerični modeli

Vetrovi se laikom lahko zdijo precej nepredvidljivi, kako pa vplivajo na napoved, vprašamo sogovornika. »Polje vetra, ki ga simuliramo z numeričnimi modeli, ni natančno. To je posledica več dejavnikov, kot sta neidealna opazovalna mreža in z njo povezana priprava začetnih polj za napoved ter nepopoln opis procesov v atmosferi. Največje napake pri pripravi začetnih polj za napoved so na lokacijah, kjer opazovanj vetra tako rekoč ni. Kot že omenjeno, so to tropski predeli, oceani in južna polobla. Tu so napake v povprečju do 6 m/s, kar je razmeroma veliko. Te napake v napovedi vplivajo na razvoj vremena v modelu. Upoštevati je treba še, da je atmosfera kaotičen sistem. Z drugimi besedami, sistem za napoved vremena je nelinearen in naš sistem ni neskončno napovedljiv.«



Šavli še poudari, da so za napovedi nekateri procesi bolj predvidljivi kot drugi. »Razvoj ciklonov, torej procesov na velikih prostorskih in časovnih skalah, lahko zelo dobro napovemo tudi za več tednov naprej. Povsem drugače je pri procesih, katerih tipična prostorska in časovna skala je manjša, kot je konvekcija (dviganje zraka na primer zaradi pregrevanja nad toplim površjem, op. a.). Tu že v nekaj dneh izgubimo napovedljivost. Kljub temu lahko napovedi do neke mere izboljšamo, vendar za to potrebujemo predvsem opazovanja na zelo visoki ločljivosti tako v prostoru kot času in seveda kvaliteten model.«

Kako bo satelit deloval

Na 1260 kilogramov težkem satelitu so teleskop s premerom 1,5 metra, ultraobčutljiv sprejemnik in eden najbolj občutljivih instrumentov, kar so jih kdaj utirili v orbito, Dopplerjev vetrovni lidar, ki so ga poimenovali Aladin. Za razumevanje delovanja satelita je, kot pravi Šavli, treba razumeti osnovne lastnosti atmosfere, ki je zmes različnih plinov (dušika, kisika, ozona …), poleg tega so v njej večji delci, aerosoli, na primer prašni delci, in hidrometeorji, oblačne kapljice. »Ti se v atmosferi gibljejo skupaj s tokom zraka. Z merjenjem gibanja teh delcev lahko pridobimo informacijo o hitrosti toka zraka v atmosferi, kar je glavni cilj Aeolusa,« pojasni meteorolog.

»Merjenje gibanja delcev v atmosferi na daljavo je možno zaradi Dopplerjevega učinka. Tega najlažje razložimo s primerom reševalnega vozila. Ko se vozilo z vključeno sireno giblje proti nam, je frekvenca zvoka, ki ga slišimo, večja, kot ko se giblje stran od nas. Razlika v frekvenci je sorazmerna z relativno hitrostjo gibanja vozila. Podobno se dogaja v atmosferi, kjer vlogo oddajnika prevzamejo delci v atmosferi. Na delec posvetimo z lasersko svetlobo izbrane valovne dolžine. Delci v atmosferi del svetlobe sipljejo nazaj v prvotno smer, kjer je sprejemnik. Ker se molekule, aerosoli in manjši hidrometeorji v atmosferi gibljejo, je frekvenčni spekter sipane svetlobe iz atmosfere drugačen kot tisti iz laserja. Predvsem je fazno premaknjen, ali povedano drugače, v povprečju je frekvenca sipanega signala večja oziroma manjša od frekvence oddanega signala. To razliko, ki je sorazmerna s hitrostjo gibanja delcev v atmosferi, lahko merimo z Dopplerjevim lidarjem. Zavedati se je treba, da lidar ne meri tridimenzionalnega polja vetra, ampak le eno komponento, ki pa jo določa usmerjenost laserja. Frekvenca laserja lidarja je 355 nanometrov (to je bližnji ultravijolični del spektra), kar nam omogoča merjenje hitrosti delcev tako iz molekul kot iz večjih aerosolov.«

Satelit Aeolus bo postavljen v sončno-sinhrono orbito na višini 320 kilometrov, kar omogoča merjenje vetra nad točko na Zemlji dvakrat na dan. »Merjenje vetra poteka od tal do višine okoli 30 kilometrov. Ločljivost meritev oziroma območje, na katerem je meritev reprezentativna, je v vertikali od enega do dveh kilometrov, v horizontali pa je tipično 90 kilometrov. Zaradi velike oslabitve sipanega signala meritve pri tleh tipično niso dovolj kakovostne za uporabo,« razloži Šavli. Satelit bo podatke ob vsaki orbiti poslal v center na Svalbardu na Norveškem.

Laserski sistem bodo predvidoma vključili septembra, prve podatke pričakujejo konec januarja, v sistem napovedi pa bi jih lahko začeli vključevati aprila. Cilj je, da bodo meritve vetrov uporabnikom na voljo najkasneje po treh urah, potem ko jih bo satelit zbral. Misija naj bi trajala tri leta, če se bo tehnologija izkazala za uporabno, pa bo po mnenju meteorologov gotovo tlakovala pot prihodnjim satelitom za spremljanje vetra.