CHMU

Informace o družicích NOAA


Označení těchto družic je zkratkou z názvu americké vládní agentury National Oceanic and Atmospheric Administration, která tyto družice provozuje. Občas se pro tyto družice též používá označení "družice série TIROS-N" (TIROS-N byl název první družice této generace, další již pak byly postupně označovány jako NOAA 6, ... NOAA 12, ...). Než je družice vypuštěna na oběžnou dráhu, nese pořadové označení písmenem, teprve po dosažení plánované dráhy je označena pořadovou číslicí. Např. družice NOAA-J byla po startu přejmenována na NOAA 14. Z důvodu určité konstrukční odlišnosti se pro novější z těchto družic též používá označení "série NOAA KLM" (NOAA 15, 16 a 17). Nejnovější jsou družice NOAA 18 a NOAA 19 (před startem NOAA-N a NOAA-N Prime).


zdroj: NOAA

Družice NOAA jsou "družice polární", nebo přesněji "družice na (kvasi)polární dráze". Toto označení již samo naznačuje typ oběžné dráhy: ta má sklon vůči rovině zemského rovníku 98 až 99 stupňů, výška dráhy se pohybuje v rozmezí 810 až 870 km, čemuž odpovídá oběžná doba přibližně 100 minut. Posun dráhy mezi dvěma sousedními oblety činí na rovníku přibližně 25,5 stupně (na západ). Dráha je héliosynchronní, tj. družice přelétá určitou zeměpisnou šířku vždy ve stejném místním čase.

Hlavním meteorologickým přístrojem na palubě družic NOAA je skenující radiometr, označovaný AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Současná verze tohoto přístroje je označována jako AVHRR/3. Jedná se o šestikanálový přístroj, jehož jednotlivé spektrální kanály pokrývají následující spektrální rozsahy:


kanál 1 0,58 - 0,68 µm červená oblast spektra - odražené sluneční záření
kanál 2 0,725 - 1,0 µm blízké infračervené záření - odražené sluneční záření
kanál 3A 1,58 - 1,64 µm infračervené záření - odražené sluneční záření
kanál 3B 3,55 - 3,93 µm infračervené záření - odražené sluneční a tepelné záření
kanál 4 10,3 - 11,3 µm infračervené záření - tepelné záření
kanál 5 11,5 - 12,5 µm infračervené záření - tepelné záření

První tři kanály zachycují výlučně odražené sluneční záření, poslední dva jsou čistě tepelné a pouze kanál 3B je smíšeným (v denních hodinách, v noci je rovněž čistě tepelným). Všech šest kanálů předává naměřené údaje v desetibitovém tvaru (tj. v každém kanálu AVHRR je možné rozlišit 1024 úrovní signálu). Protože přenosová kapacita družice neumožňuje přenést současně více než 5 kanálů, bývalo standardním přenosovým schématem střídání kanálu 3B (v nočních hodinách) a kanálu 3A (v denních hodinách). V současnosti dochází k tomuto střídání pouze u družice Metop, u družic NOAA je přenášen v denních i nočních hodinách kanál 3B. Data z prvních tří kanálů je možné při zpracování převést např. na albedo daného kanálu, jejich kombinací je možné získat tzv. vegetační index, charakterizující množství zelené hmoty na sledovaném území. Kanály 3B až 5 je možné nakalibrovat buď na jednotky intenzity záření nebo následně na tzv. jasovou teplotu (s přesností lepší než 1 kelvin). Podrobnosti k interpretaci snímků na našich stránkách jsou zde.

Geometrické rozlišení snímaných dat je pro oblast pod družicí (v nadiru) 1,1 x 1,1 km, pro okraj snímaného pásu území cca 2,5 x 5 km. Družice snímá nepřetržitě pás území široký přibližně 3000 km (1500 km na obě strany od nadiru). Data jsou v plném rozlišení vysílána uživatelům v reálném čase. Kromě toho družice zaznamenává veškerá naměřená data s uměle sníženým rozlišením (4x4 km, tzv. Global Area Coverage - GAC formát) a vybraná území v plném rozlišení (Local Area Coverage - LAC formát) na palubní záznamová média a na výzvu řídícího střediska je předá k trvalé archivaci (pro různé klimatické studie). Z toho vyplývá, že data z přístroje AVHRR v reálném čase a plném rozlišení je možné získat pouze z těch oblastí, které jsou snímány tehdy, když je družice v přímé dohlednosti přijímací stanice. Např. pro přijímací stanici ČHMÚ v Praze na Libuši je tato oblast na východě ohraničena Uralem, na jihovýchodě oblastí Perského zálivu, na jihu centrální Saharou, na západě středem Atlantiku, na severozápadě Grónskem a na severu Špicberkama. Délka nejdelšího možného přeletu (tj. doby, po kterou je družice nad místním horizontem) je asi 15,5 minuty, čím je přelet západnější nebo východnější, tím je délka přeletu kratší. Data jsou snímána a vysílána rychlostí 6 obrazových řádků za sekundu, každý řádek obsahuje 2048 obrazových bodů (tzv. pixlů), v každém pixlu jsou data pro každý z pěti přenášených kanálů reprezentována 10-bitovou hodnotou. Data jsou přenášena v pásmu 1,7 GHz. Z uvedeného např. vyplývá, že objem dat z jednoho zachyceného přeletu může dosáhnout až cca 130 MB. Tento typ digitálního přenosu dat z AVHRR se označuje jako HRPT (High Resolution Picture Transmission), stejně se označují i přijímací stanice pro tento typ dat.

Kromě digitálního přenosu HRPT existuje též výrazně jednodušší, leč kvalitou výrazně horší, přenos analogový, nazývaný APT (Automatic Picture Transmission). Zatímco pro příjem digitálních dat (HRPT) je zapotřebí naváděná parabolická anténa (např. systém SCISYS v ČHMÚ v Praze na Libuši používá anténu o průměru 3 metry), pro APT postačuje dostatečně citlivá všesměrová anténa (v pásmu 137 MHz).

Pokud je systém polárních družic kompletní, jsou v provozu vždy dvě primární družice, jejichž roviny oběžných drah jsou vůči sobě stočeny přibližně o 90 stupňů. Tím je docíleno snímání libovolného místa na Zemi nejméně 4x za 24 hodin. V současnosti jsou jimi NOAA 19 spolu s evropskou družicí Metop-B (Metop-1). Starší družice NOAA a družice Metop-A (Metop-2) slouží jako záložní. Čím je přijímací stanice blíže k pólům, tím více přeletů může zachytit (zároveň je větší překryv jednotlivých přeletů). Naopak kolem rovníku je překryv jednotlivých přeletů pouze několik kilometrů.

Příjem, zpracování a (re)distribuce dat z AVHRR z družic NOAA nejsou zatím nijak administrativně omezovány, zájemci o příjem dat (ať v režimu HRPT nebo APT) "pouze" stačí pořídit si vhodné přijímací zařízení. V ČHMÚ jsou data v digitálním tvaru přijímána od roku 1979, původní zařízení kanadské firmy MDA bylo v červnu 1995 nahrazeno novým systémem německé firmy VCS (dnes SCISYS).

Data z AVHRR (v tzv. Level 1B formátu) z různých částí světa je možné získat bezplatně např. z  Comprehensive Large Array-data Stewardship System (CLASS) organizace NOAA. Zpracování těchto dat však vyžaduje specializovaný software (viz např. HRPT programy Davida Taylora nebo PCI Geomatica FreeView), data nejsou určena pro běžné "pokoukání".

Kromě radiometru AVHRR je na družici řada dalších přístrojů určených pro sledování zemské atmosféry či okolního vesmírného prostředí. Z nich nejdůležitější pro meteorologii je komplex přístrojů ATOVS (Advanced TIROS Operational Vertical Sounder), poskytující informace o vertikálním profilu (nebo o celkovém množství) některých meteorologických veličin či prvků (teplota, vlhkost, celkové množství ozonu, aj.). Podrobnější dokumentaci k jednotlivým přístrojům a formátu dat lze nalézt např. zde (v angličtině).


Popis snímků z družic NOAA poskytovaných na internetových stránkách ČHMÚ


ČHMÚ poskytuje zpracované snímky ze všech přijatých přeletů družic NOAA 15, 18 a 19 v podobě několikadenního archivu. Snímky se vytvářejí ve čtyřech různých geografických projekcích: Evropa, Střední Evropa a dvě různé projekce Česká republika.

Data z každého přeletu a pro každou družici jsou zpracována a na internetových stránkách ČHMÚ zpřístupněna následovně:

  • kanály 1 a 2 - pouze v denních hodinách
  • kanály 3B a 4 - nepřetržitě

Kromě snímků ve výše zmíněných kanálech na našich stránkách též naleznete následující produkty:

  • b4BT - kanál 4 s barevně zvýrazněnou jasovou teplotou v intervalu 200-240 K - nepřetržitě
  • RGB124 - barevná syntéza kanálů 1, 2 a 4 - pouze ve dne
  • NM - noční mikrofyzikální kompozit - pouze v noci

Kanály 1 a 2

Tyto dva kanály AVHRR poskytují podobné informace. Při zběžném pohledu se snímky v těchto kanálech blíží běžné černobílé fotografii zemského povrchu a oblačnosti. Rozdíl mezi nimi je především v zobrazení vegetace - na snímcích v kanálu 2 je vegetací pokrytý povrch výrazně světlejší než na snímcích v kanálu 1. Naopak vodní plochy jsou v kanálu 2 tmavší než v kanálu 1, a tak je odlišení (vegetací pokryté) pevniny od moře daleko snadnější právě v kanálu 2. Kombinací těchto dvou kanálů je možné získat informace o množství a stavu vegetace (pomocí tzv. "vegetačního indexu").

Kanál 3B

Toto je jediný kanál, ve kterém se uplatňuje jak odražené sluneční záření (pouze v denních hodinách), tak tepelné vyzařování zemského povrchu a oblačnosti. Snímky jsou zobrazovány tak, aby v nočních hodinách odpovídaly zobrazení snímků v kanálech 4 a 5 - tedy vysoká (studená) oblačnost bíle, teplé objekty tmavě. V denních hodinách tak odražená komponenta tohoto kanálu způsobuje "ztmavnutí" objektů - čím více odrážejí, tím se jeví tmavší oproti nočním hodinám.

Kanál 4 (a 5)

Oba tyto kanály snímají pouze energii tepelného záření - vyzářeného zemským povrchem, vodními plochami a oblačností. Čím je objekt teplejší, tím více září a tím více energie radiometr družice zachytí. Snímky jsou zobrazovány tak, že nejchladnější objekty (zpravidla nejvyšší oblačnost) jsou zobrazeny bíle, nejteplejší tmavě šedě až černě.
Protože vzhed obou kanálů je velmi podobný, snímek z kanálu 5 nezveřejňujeme.

b4BT

Snímek z kanálu 4 je teplotně okalibrován a pro teploty od 200 do 240 K (-73 až -33°C) převeden do barevné škály. Ta je vložena do snímku.

RGB kompozity

Vícekanálová barevná syntéza patří k metodám, které umožňují získat z různých spektrálních pásem více informací (např. o typu oblačnosti) než z jednotlivých kanálů použitých samostatně. Barevné složky - červená, zelená a modrá (R,G a B), ze kterých vzniká barevný obraz, se přiřadí jednotlivým zvoleným kanálům. Různé objekty se v jednotlivých kanálech projevují odlišně, a tak je jim v RGB kombinaci různých kanálů přiřazena odlišná barva. To (po jistém "tréninku") umožňuje snadnější "klasifikaci" objektů na snímcích.

Na našich stránkách zveřejňujeme následující kombinace:

RGB124 (R - kanál 1; G - kanál 2; B - kanál 4): "Tradiční" RGB kombinace, blížící se vnímání lidským okem. Nízká až střední (obecně teplejší) oblačnost je zobrazena nažloutle, vysoká (chladná) oblačnost je zobrazena bíle až modře. Vegetací pokrytý terén zeleně, voda tmavě modře.

NM - noční mikrofyzikální produkt (R - rozdíl kanálů 5 a 4; G - rozdíl kanálů 4 a 3B; B - kanál 4): Čím je oblačnost vertikálně mohutnější, tím je vyšší příspěvek červené barvy. Čím je rozdíl emisivity v kanálech 4 a 3B větší, tím je větší příspěvek zelené barvy; nejvyšší rozdíl je pro nízkou oblačnost tvořenou drobnými kapičkami - tedy především mlhy. V modré složce je vše pod -30°C černé, čím je objekt teplejší, tím je vyšší příspěvek modré barvy. Zjednodušeně: vertikálně mohutná oblačnost je zde zobrazena tmavě červeně, řídké cirry tmavě modře, mořská hladina světle modře, terén růžově, střední až nízká oblačnost okrově, mlhy a nejnižší oblačnost světle zeleně.