تصاویر ماهواره‌ای ابرها و طوفان‌های عظیم، منظره‌ای آشنا برای همه ماست. اما ماهواره‌های هواشناسی فقط برای ثبت این تصاویر به کار نمی‌روند. آیا می‌دانید این ابزارهای فضایی چگونه به ما کمک می‌کنند تا از وضعیت آب و هوا باخبر شویم و خود را برای رویدادهای جوی آماده کنیم؟

در این مطلب، به بررسی اصول کار ماهواره‌های هواشناسی، انواع آن‌ها و کاربرد تصاویرشان در پیش‌بینی دقیق‌تر رویدادهای آب و هوایی می‌پردازیم.

نکات کلیدی

• ماهواره‌های هواشناسی به ما کمک می‌کنند تا طوفان‌های بزرگ مانند تندبادها را قبل از رسیدن به خشکی ببینیم.
• دو نوع ماهواره هواشناسی وجود دارد و هر کدام به روش‌های مختلف به ما کمک می‌کنند.
• ماهواره‌های ثابت زمین برای ردیابی بلادرنگ آب و هوا مانند طوفان‌ها عالی هستند، اما برای تصاویر واضح مناسب نیستند.

ماهواره‌های هواشناسی چگونه کار می‌کنند؟

ماهواره‌های هواشناسی، درست مانند سایر ماهواره‌های فضایی، ساخته دست بشر هستند و برای گردش به دور زمین به فضا پرتاب می‌شوند. با این تفاوت که به جای ارسال داده‌هایی برای تلویزیون، رادیو یا سیستم GPS، اطلاعات مربوط به آب و هوا و اقلیم را به صورت تصویری به زمین مخابره می‌کنند.

مزایای استفاده از ماهواره‌های هواشناسی

همان‌طور که دیدن مناظر از بالای پشت‌بام یا قله کوه، دید وسیع‌تری از محیط اطراف به ما می‌دهد، موقعیت ماهواره‌های هواشناسی در ارتفاع صدها تا هزاران کیلومتری از سطح زمین، امکان مشاهده آب و هوای مناطق وسیع را فراهم می‌کند. این دید گسترده به هواشناسان کمک می‌کند تا سیستم‌های آب و هوایی و الگوهای جوی را ساعت‌ها یا حتی روزها زودتر از ابزارهای زمینی مانند رادار هواشناسی شناسایی کنند.

از آنجایی که ابرها در بالاترین لایه‌های جو قرار دارند، ماهواره‌های هواشناسی در رصد ابرها و سیستم‌های ابری (مانند تندبادها) نقش مهمی ایفا می‌کنند. اما این تنها کاربرد آن‌ها نیست. از ماهواره‌ها برای نظارت بر رویدادهای زیست‌محیطی گسترده‌ای مانند آتش‌سوزی‌های جنگلی، طوفان‌های گرد و غبار، پوشش برف، یخ‌های دریایی و دمای اقیانوس نیز استفاده می‌شود.

اکنون که با ماهواره‌های هواشناسی آشنا شدیم، بیایید نگاهی به دو نوع اصلی آن‌ها و رویدادهای جوی که هر کدام در تشخیص آن‌ها بهترین عملکرد را دارند، بیندازیم.

ماهواره‌های هواشناسی مدار قطبی

ایالات متحده در حال حاضر دو ماهواره با مدار قطبی دارد که به POES (مخفف Polar Operating Environmental Satellite به معنی ماهواره محیط زیستی عامل قطبی) شناخته می‌شوند. یکی از این ماهواره‌ها در طول روز و دیگری در طول شب فعال است. هر دو به طور کلی با نام TIROS-N شناخته می‌شوند.

TIROS 1، اولین ماهواره هواشناسی جهان، یک ماهواره با مدار قطبی بود. به این معنی که در هر گردش به دور زمین، از روی قطب شمال و جنوب عبور می‌کرد.

ماهواره‌های با مدار قطبی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک به زمین (حدود 800 کیلومتر بالاتر از سطح زمین) به دور آن می‌چرخند. این نزدیکی باعث می‌شود که بتوانند تصاویر با وضوح بالایی ثبت کنند، اما عیب آن این است که تنها می‌توانند بخش باریکی از سطح زمین را در یک زمان ببینند. با این حال، از آنجا که زمین از غرب به شرق در زیر مسیر حرکت ماهواره‌های با مدار قطبی می‌چرخد، این ماهواره با هر دور گردش زمین، به سمت غرب متمایل می‌شود.

ماهواره‌های با مدار قطبی هرگز بیش از یک بار در روز از یک مکان عبور نمی‌کنند. این ویژگی برای ارائه یک تصویر کامل از وضعیت آب و هوایی در سراسر جهان بسیار مفید است. به همین دلیل، ماهواره‌های با مدار قطبی برای پیش‌بینی‌های بلندمدت آب و هوا و نظارت بر شرایطی مانند ال‌نینو و حفره اوزون بهترین گزینه هستند. با این حال، برای ردیابی تحولات طوفان‌های منفرد مناسب نیستند. برای این منظور، ما به ماهواره‌های ثابت‌زمین وابسته هستیم.

ماهواره‌های هواشناسی ثابت‌زمین

ایالات متحده در حال حاضر دو ماهواره ثابت‌زمین دارد. این ماهواره‌ها که با نام GOES (مخفف Geostationary Operational Environmental Satellites به معنی ماهواره‌های عملیاتی محیط زیستی ثابت‌زمین) شناخته می‌شوند، یکی بر فراز سواحل شرقی (GOES-East) و دیگری بر فراز سواحل غربی (GOES-West) قرار دارند.

شش سال پس از پرتاب اولین ماهواره با مدار قطبی، ماهواره‌های ثابت‌زمین به مدار فرستاده شدند. این ماهواره‌ها در امتداد خط استوا قرار گرفته و با همان سرعتی که زمین می‌چرخد، حرکت می‌کنند. این امر باعث می‌شود که به نظر برسد در یک نقطه ثابت بالای زمین قرار دارند. همچنین به آن‌ها امکان می‌دهد تا به طور مداوم یک منطقه (نیمکره‌های شمالی و غربی) را در طول روز مشاهده کنند. این ویژگی برای نظارت بر آب و هوای بلادرنگ و استفاده در پیش‌بینی‌های کوتاه‌مدت آب و هوا، مانند هشدارهای مربوط به شرایط جوی نامساعد، ایده‌آل است.

اما ماهواره‌های ثابت‌زمین در چه زمینه‌ای عملکرد خوبی ندارند؟ ثبت تصاویر واضح یا مشاهده قطب‌ها به خوبی ماهواره‌های با مدار قطبی. برای اینکه ماهواره‌های ثابت‌زمین با سرعت چرخش زمین همگام باشند، باید در فاصله بیشتری از آن (دقیقاً در ارتفاع 35,786 کیلومتری) به دور زمین بچرخند. در این فاصله زیاد، هم جزئیات تصاویر و هم دید قطب‌ها (به دلیل انحنای زمین) از دست می‌رود.

ماهواره‌های هواشناسی چگونه کار می‌کنند؟

حسگرهای حساسی به نام رادیومتر در داخل ماهواره، تابش (یعنی انرژی) ساطع شده از سطح زمین را اندازه گیری می‌کنند، که بیشتر آن با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست. انواع انرژی که ماهواره‌های هواشناسی اندازه گیری می‌کنند، به سه دسته از طیف الکترومغناطیسی نور تقسیم می‌شوند: مرئی، فروسرخ و فروسرخ تا تراهرتز.

شدت تابش ساطع شده در هر سه این باندها یا "کانال‌ها" به طور همزمان اندازه‌گیری و سپس ذخیره می‌شود. یک کامپیوتر یک مقدار عددی را به هر اندازه‌گیری در هر کانال اختصاص می‌دهد و سپس آن را به یک پیکسل خاکستری تبدیل می‌کند. پس از نمایش تمام پیکسل‌ها، نتیجه نهایی مجموعه‌ای از سه تصویر است که هر کدام نشان می‌دهند این سه نوع مختلف انرژی در کجا "زندگی" می‌کنند.

در ادامه، سه تصویر از یک منطقه یکسان در ایالات متحده نشان داده شده است که به ترتیب از طریق کانال‌های مرئی، فروسرخ و بخار آب گرفته شده‌اند. آیا می‌توانید تفاوت بین هر کدام را تشخیص دهید؟

تصاویر ماهواره‌ای مرئی (VIS)

تصاویر حاصل از کانال نور مرئی شبیه عکس‌های سیاه و سفید هستند. این به این دلیل است که ماهواره‌های حساس به طول موج‌های مرئی، درست مانند یک دوربین دیجیتال یا 35 میلی‌متری، پرتوهای نور خورشید منعکس شده از یک جسم را ثبت می‌کنند. هرچه یک جسم (مانند خشکی و اقیانوس) نور خورشید بیشتری را جذب کند، نور کمتری را به فضا منعکس می‌کند و این مناطق در طول موج مرئی تیره‌تر به نظر می‌رسند. برعکس، اجسامی که بازتاب بالایی دارند (مانند قله ابرها) سفید روشن به نظر می‌رسند، زیرا مقادیر زیادی نور را از سطح خود منعکس می‌کنند.

هواشناسان از تصاویر ماهواره‌ای مرئی برای پیش‌بینی/مشاهده موارد زیر استفاده می‌کنند:

• فعالیت همرفتی (یعنی رعد و برق)
• بارندگی (زیرا نوع ابر قابل تعیین است، ابرهای باران‌زا را می‌توان قبل از ظاهر شدن رگبارهای باران در رادار مشاهده کرد.)
• دود ناشی از آتش سوزی
• خاکستر ناشی از آتشفشان‌ها

از آنجایی که برای گرفتن تصاویر ماهواره‌ای مرئی به نور خورشید نیاز است، این تصاویر در ساعات عصر و شب در دسترس نیستند.

تصاویر ماهواره‌ای فروسرخ (IR)

کانال‌های فروسرخ، انرژی گرمایی ساطع شده از سطوح را حس می‌کنند. همانند تصاویر مرئی، گرمترین اشیاء (مانند خشکی و ابرهای سطح پایین) که گرما را جذب می‌کنند، تیره‌تر به نظر می‌رسند، در حالی که اشیاء سردتر (ابرهای مرتفع) روشن‌تر به نظر می‌رسند.

هواشناسان از تصاویر IR برای پیش‌بینی/مشاهده موارد زیر استفاده می‌کنند:

• ویژگی‌های ابر در روز و شب
• ارتفاع ابر (زیرا ارتفاع با دما مرتبط است)
• پوشش برف (به صورت یک منطقه ثابت خاکستری مایل به سفید نشان داده می‌شود)

تصاویر ماهواره‌ای بخار آب (WV)

بخار آب به دلیل انرژی ساطع شده در محدوده فروسرخ تا تراهرتز طیف، شناسایی می‌شود. تصاویر حاصل از این کانال، مانند تصاویر مرئی و فروسرخ، ابرها را نشان می‌دهند، اما یک مزیت اضافی این است که آب را در حالت گازی خود نیز نشان می‌دهند. زبانه‌های هوای مرطوب به صورت خاکستری یا سفید مه آلود ظاهر می‌شوند، در حالی که هوای خشک با مناطق تاریک نشان داده می‌شود.

تصاویر بخار آب گاهی اوقات برای مشاهده بهتر، از نظر رنگی بهبود می‌یابند. در تصاویر بهبودیافته، آبی‌ها و سبزها به معنای رطوبت بالا و قهوه‌ای‌ها به معنای رطوبت پایین هستند.

هواشناسان از تصاویر بخار آب برای پیش‌بینی مواردی مانند میزان رطوبت مرتبط با بارش باران یا برف آتی استفاده می‌کنند. همچنین می‌توان از آنها برای یافتن جریان جت (که در امتداد مرز هوای خشک و مرطوب قرار دارد) استفاده کرد.