Szélmérők és társaik
(Rovat: Időjárás és előrejelzése - 2016.08.03 07:15.)

A sikeres műszercsalád elsősorban meteorológiai és éghajlati megfigyeléseket végez. Hamarosan egy egész műholdcsalád indul erre a módszerre alapozva, de újszerű megoldást alkalmazva.

A NASA az 1970-es évek óta több sikeres küldetést is indított, amelyek célja az óceánok fölött a szélviszonyok feltérképezése. Az első próbálkozást a Skylab űrállomásról 1973–74-ben végrehajtott „technológiai demonstráció” jelentette. A kísérletekkel bebizonyították, hogy a világűrből végzett radaros mérésekkel valóban meg lehet állapítani a szélviszonyokat az óceánok fölött. Az ehhez használt műszert általában egyszerűen szélmérőnek nevezhetjük, hiszen a későbbiekben az amerikai és más nemzetiségű, hasonló elven működő műszereknek ez volt a legfőbb feladata. Amint látni fogjuk, a műszercsalád másra is használható, ezért angol megnevezése scatterometer. Ezt akár „szkatterométernek” is fordíthatnánk, de maradjunk inkább a továbbiakban a kicsit túl általános szóródásmérőnél, legalábbis azokban az esetekben, amikor nem kifejezetten az óceáni szélviszonyok mérése a feladat.

Az űrből végzett óceáni szélmérések jelentőségét az adja, hogy a felszíni mérések az óceánok területén hiányosak, gyenge térbeli felbontásúak. Azt már a II. világháború alatti repülőgépes radarméréseknél megfigyelték, hogy az óceánok fölött zavart a jel, de a jelenség okát csak később azonosították az óceánok hullámzásával. Az űrből végzett szóródásmérések segítik a légkör és az óceánok közötti kölcsönhatás és az óceáni cirkulációk vizsgálatát, illetve ezek hatásának tisztázását az időjárásra és az éghajlatra. Bizonyított tény, hogy a szóródásmérések eredményeinek felhasználása nagyban javítja az időjárási és éghajlati előrejelzések pontosságát.

A mérés lényege, hogy az űreszköz fedélzetére helyezett műszer különböző irányokban radarimpulzusokat küld a Föld felszíne felé. A visszavert radarjeleket elemezve a modellfüggvény inverziójának nevezett, bonyolult, nemlineáris matematikai eljárással következtetni lehet a hullámok (azaz a szél) irányára, valamint a hullámok hullámhosszára és amplitúdójára, vagyis a szél erősségére. A szóródásmérőket az óceáni szélviszonyok feltérképezésén kívül használják a vegetáció állapotának ellenőrzésére, a talajnedvesség mérésére, a sarkvidéki jégtakaró és a jéghegyek követésére és az éghajlatváltozás vizsgálatára. Szárazföldek fölött a homokdűnék, illetve a hófúvások kialakította dűneszerű alakzatok megfigyelésével ugyancsak szélmérések végezhetők. Használtak azonban már szóródásmérőt a távoli világűrben is, például a Cassini űrszondán a Szaturnusz és holdjai megfigyelésére.

A NASA szélmérő műszereinek történetét áttekintő infografika. (Kép: NASA GSFC)

Amint az infografikáról leolvasható, a NASA 1978-ban a SeaSat–A műholdon indította a második szélmérőjét (SASS, SeaSat-A Scatterometry System), amelyik a Ku-sávban (14 GHz frekvencián) dolgozott. Csaknem két évtizedes szünet után, 1996-ban a NASA a Japán Űrügynökség (JAXA) ADEOS–I (Advanced Earth Observing Satellite) műholdján helyezte el az ugyancsak a Ku-sávban működő, saját szélmérőjét (NSCAT, NASA Scatterometer), ez azonban a műhold energiaellátási hibája miatt csak 1997. júniusig működött. A küldetés végeztével a NASA két azonos szóródásmérő berendezést épített (SeaWinds). Az első 1999-ben saját QuikSCAT (Quik Scatterometer) műholdjukon, a második pedig 2002-ben a japán ADEOS–II műholdon került a világűrbe. Miután mindkét műszer működésképtelenné vált, a NASA felújította a QuikSCAT tartalék műszerét, amelyet 2014-ben a Nemzetközi Űrállomáson helyezett el ISS-RapidScat néven.

Bár a bemutatott infografika csak a NASA saját szóródásmérőit tartalmazza, más szervezetek is küldtek hasonló műszereket az űrbe. Az ESA 1991-ben indította rendkívül sikeres ERS–1, majd 1995-ben ETRS–2 műholdját, amelyek mindegyikén egy-egy AMI (Advanced Microwave Instrument) szóródásmérő is helyet kapott. Ezek a C-sávban (5,6 GHz) dolgoztak. Az Indiai Űrügynökség (ISRO) saját Ku-sávú szóródásmérőjét 2009-ben az Oceansat–2 műholdján küldte az űrbe. Az ESA és az Eumetsat az első C-sávú ASCAT műszerét 2006-ban a Metop–A műholdon indította.

A sikeres sorozat hamarosan folytatódik. A NASA a még idén indítandó CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System) rendszer műholdjaival elsősorban a trópusi ciklonok magja környékén szeretné minél pontosabban mérni a szélsebességeket, amire eddig az űrből nem volt lehetőség (a sűrű eső mikrohullámokat zavaró hatása miatt). A projektet a Michigani Egyetem vezeti, de a NASA finanszírozza (2012 óta 152 millió dollárral). A rendszer nyolc mikroműholdja egyenként 27,5 kg tömegű lesz, kinyitott napelemtáblákkal 159 cm × 51 cm méretűek. Az Egyenlítő síkjával 35°-os szöget bezáró pályára kerülnek, ahonnan két hurrikánszezont szeretnének végig követni.

A CYGNSS kalibrációja a Michigani Egyetem laboratóriumában, 2014 decemberében. (Kép: University of Michigan / Joseph Xu)

A mérési módszer újdonsága, hogy a mérésekhez a GPS-műholdak jeleit használják. Egyrészt a CYGNSS műholdak a közvetlenül érkező GPS-jelek alapján folyamatosan mérik saját pontos pozíciójukat, másrészt a felszínről visszaverődve a műholdra érkező, szórt GPS jelet ugyanúgy elemzik, mintha a radarjelet maga az aktív szóródásmérővel felszerelt műhold bocsátotta volna ki. Ezzel a módszerrel megtakarítható a műholdra szerelt adó költsége, ami a költségek jelentős csökkenését eredményezte. A konstellációnak köszönhetően a műholdak 12 percenként repülnek el ugyanazon terület fölött, ami a korábbi méréseknél sokkal jobb időbeli felbontást jelent. A rendszernek köszönhetően pontosabb lesz a hurrikánok erősségének és vonulási útjának előrejelzése.

Fantáziarajz a NASA CYGNSS rendszerének egyik műholdjáról, amint egy hurrikán „szeme” fölött repül. (Kép: NASA)