Satelliittihavainnot

Satelliittimittaukset muodostavat tärkeän osan Ilmatieteen laitoksen käyttämistä havainnoista. Satelliiteilla havainnoidaan säätä, ilmakehän koostumusta, maanpintaa ja avaruutta. Satelliitit kulkevat useilla erilaisilla radoilla maanpinnan suhteen.


Metop-sääsatelliitti. Kuva: ESA
 

Satelliittihavainnot perustuvat maan ja meren pinnasta, pilvistä ja ilmakehästä avaruuteen poistuvan säteilyn mittaukseen. Satelliittien kartoittamat aallonpituusalueet voidaan jakaa karkeasti auringon heijastamaan lyhytaaltoiseen säteilyyn ja maapallon säteilemään pitkäaaltoiseen säteilyyn.

Satelliittihavainnoista voidaan tunnistaa pilvien, aerosolien, maanpinnan ja meren ominaisuuksia, tehdä yläilmakehän otsonimittauksia sekä tietyin rajoituksin johtaa muita meteorologisia suureita kuten tuulen nopeuksia ja ilmakehän kolmiulotteinen lämpötila- ja kosteusjakauma.

Ilmakehämallit käyttävät suoraan satelliittimittauksia. Mallit tarvitsevat lähtöarvoikseen tietoja ilmakehän tilasta laskennan alkuhetkellä. Nämä tiedot voivat olla ympäri maapalloa tehtyjä säähavaintoja, satelliittimittauksia tai arvioita ilmakehän kaasujen ja hiukkasten pitoisuuksista.

Päivystävät meteorologit käyttävät kuviksi jalostettuja satelliittimittauksia. Monien ilmiöiden havaitseminen on hankalaa tai jopa mahdotonta, jos käytetään vain yhden aallonpituusalueen harmaasävykuvaa. Ilmiöiden havaitsemista voidaan helpottaa yhdistämällä kolme fysikaalisesti järkevää harmaasävykuvaa yhdeksi värikuvaksi samalla periaatteella kuin kuva muodostuu tietokoneen näytölle (RGB). Niiden avulla meteorologin on helpompi erottaa erilaiset sääilmiöt sekä saada monipuolisempaa tietoa pilvien mikrofysikaalisesta rakenteesta. Nämä kuvat ovat erittäin tärkeitä erityisesti lähituntien sään ennustamisessa lentoliikenteelle.

Satelliitteja erilaisilla radoilla

Useimmat ilmakehää havainnoivat satelliitit kiertävät maata geostationäärisellä tai aurinkosynkronisella radalla. Geostationäärinen satelliitti pysyy maanpinnan suhteen paikallaan. Aurinkosynkroninen satelliitti kiertää maapallon siten, että se on aina samaan aikaan päiväntasaajan yläpuolella ja tyypillisesti sen rata kulkee läheltä napoja. Tällöin satelliittia voidaan kutsua polaarisatelliitiksi.

Päiväntasaajan yläpuolella noin 36 000 kilometrin korkeudessa sijaitsevien geostationääristen satelliittien kiertoaika on sama kuin maan pyörähdysaika. Tällainen satelliitti näkee jatkuvasti saman puolen maapallosta. Satelliitti havaitsee korkeita leveysasteita hyvin viistossa kulmassa kun taas päiväntasaajan alueet ovat kohtisuorassa satelliitin alapuolella. Siksi satelliitin erotuskyky Suomessa on huonompi kuin Afrikassa tai eteläisessä Euroopassa.

Maan napojen yli kiertävät satelliitit lentävät 600 - 850 km korkeudessa ja yksi kierros kestää noin 100 minuuttia. Satelliitti ei kuitenkaan aina lennä saman alueen ylitse ja sen näkemä alue on geostationääristä satelliittia pienempi. Kuvia saadaan epäsäännöllisesti ja toisinaan satelliitin ylilento tapahtuu vastaanottimeen nähden hieman sivusta, jolloin osasta kuva-alaa ei saada mittaustietoa. Näiden satelliittien erotuskyky on kuitenkin geostationäärisiä parempi ja niillä voidaan erottaa muutamien kilometrien kokoluokkaa olevia ilmiöitä.

Mittauksia monilla instrumenteilla

Yhdessä satelliitissa on mukana useita instrumentteja, jotka on suunniteltu eri tarkoituksiin. Suurin osa satelliitti-instrumenteista mittaa maapallosta heijastunutta auringon lyhytaaltoista säteilyä tai maapallon lähettämää eli emittoimaa pitkäaaltoista säteilyä. Osa satelliitti-instrumenteista lähettää maata kohti pulssin radioaaltoja (tutka) tai valoa (lidar), ja mittaa pinnasta tai pilvistä takaisin heijastuneen säteilyn määrän.


Vastaanotto Ilmatieteen laitoksella

Ilmatieteen laitoksella vastaanotetaan sekä napoja kiertävien että geostationääristen satelliittien havaintoja. Satelliittivastaanottimet sijaitsevat Helsingissä ja Sodankylässä. Kuvassa Sodankylän vastaanottoasema (Kuva: Timo Lindholm).

Napoja kiertävien satelliittien havainnot vastaanotetaan suoraan satelliitista sen ylilennon aikana. Helsingissä saadaan viidestä satelliitista keskimäärin 14 ylilentoa vuorokaudessa, jotka kattavat Suomen ja lähialueet. Eurooppalaisen geostationäärisen Meteosat-satelliitin mittaukset vastaanotetaan ensin Saksassa, josta ne välitetään tietoliikennesatelliitin avulla Helsinkiin. Tietoliikennesatelliitti välittää myös muiden maiden geostationääristen satelliittien mittauksia sekä lukuisan joukon satelliittimittauksiin pohjautuvia tuotteita. Operatiivisen sääpalvelun hyödyntämät satelliittihavainnot vastaanotetaan lähes kokonaan Helsingissä.

Pohjoisen sijaintinsa ansiosta Sodankylä on erinomainen napoja kiertävien satelliittien vastaanottoon. Tällä hetkellä Sodankylässä vastaanotetaan kolmen satelliitin ylilentoja. Näitä mittauksia hyödynnetään mm. UV- ja otsonitutkimuksessa. Talvisin satelliittikuvia toimitetaan myös jäänmurtajille ja jääpalvelulle.