Moduł C. Satelitarna lekcja klimatu

Moduł C realizowany jest we wspólpracy z Centrum Badań Kosmicznych (dr Andrzej Kotarba) oraz metodykiem (Anna Woźniak).

Dynamika klimatu

Życie na Ziemi nie mogłoby istnieć bez energii. Jej najważniejszym źródłem jest Słońce. Na górnej granicy atmosfery na metr kwadratowy dociera 1362 W energii słonecznej. To głównie promieniowanie krótkofalowe - ultrafiolet, widzialne i bliska podczerwień (fale o długości 0.3-3.9 mikrometra). Tylko część tego strumienia dotrze do leżącej kilkaset kilometrów niżej powierzchni planety. Reszta zostanie pochłonięta lub odbita od znajdujących się w atmosferze gazów, chmur i aerozoli.

Interakcja promieniowania krótkofalowego z powierzchnią Ziemi zależy od typu pokrycia terenu, fizycznych właściwości podłoża. Jeśli jest ono jasne (np. pokrywa śnieżna i lodowa, piasek), promieniowanie zostanie odbite i wróci w przestrzeń kosmiczną. Jeśli jest ciemne (np. oceany, powierzchnie sztuczne, lasy tropikalne), energia zostanie w większości zaabsorbowana.

Promieniowanie krótkofalowe Słońca, pochłonięte przez lądy i oceany, jest następnie emitowane z podłoża. Ale tym razem emisja następuje w zakresie podczerwieni (3.9-20 mikrometrów). Jest to długofalowe promieniowanie Ziemi. Nagrzewa się od niego powietrze, co jednocześnie inicjuje system cyrkulacji atmosferycznej.

Zdolność atmosfery do magazynowania ciepła zależy od stężenia gazów, które są w stanie absorbować promieniowanie długofalowe Ziemi. To tzw. gazy cieplarniane, z najważniejszym w postaci pary wodnej (inne to np. dwutlenek węgla, metan).

W przeciwieństwie do stacjonarnych lądów, ogrzane masy wód oceanicznych są w stanie się poruszać, co powoduje powstanie globalnego systemu cyrkulacji morskiej, powiązanego z cyrkulacją atmosferyczną.

Szczególną rolę w systemie klimatycznym zajmuje H2O. Przy temperaturze panującej na Ziemi związek ten może przyjmować postać ciała stałego (śnieg, lód morski, lodowce górskie, lądolody, kryształki lodu w chmurach), cieczy (wody lądowe i oceaniczne, deszcz, krople chmurowe) i gazu (para wodna). Każda z przemian fazowych wiąże się z pobieraniem lub oddawaniem energii, a więc ochładzaniem lub ogrzewaniem atmosfery.

Powyższy zgeneralizowany opis ukazuje klimat nie jako statystykę warunków pogodowych, lecz systemy cyrkulacji atmosferycznej i oceanicznej, wynikających z warunków radiacyjnych, kształtowanych przez fizyczny i chemiczny skład atmosfery. W takim podejściu do klimatu ważne jest charakteryzowanie każdego jego elementu nie w skali lokalnej, ale co najmniej regionalnej. Wymusza to na klimatologach konieczność stosowania jednorodnych danych, obejmujących cały świat. Źródłem takich danych nigdy nie będą obserwacje naziemne, z natury punktowe i pokrywające tylko niewielki obszar planety. Ich miejsce od kilku dekad z powodzeniem zastępują obserwacje satelitarne.

Stacja meteorologiczna na orbicie

Satelitę można porównać do ogródka meteorologicznego – jest to powierzchnia, na której zainstalowano wiele urządzeń pomiarowych. O ile instrumenty na stacji meteorologicznej mierzą różne elementy pogody, o tyle instrumenty satelitarne niemal wyłącznie ograniczają się do pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego. Pomiary dokonywane są jednak w różnych, starannie dobranych zakresach widma. Na podstawie ilości zarejestrowanego promieniowania i jego charakterystyki, geofizycy wnioskują o wielkości opadu, temperatury, wilgotności, prędkości wiatru, itp. Satelity nigdy nie mierzą tych wartości bezpośrednio (nie mają na pokładzie termometrów, deszczomierzy, wiatromierzy). Podstawą analizy jest wiedza teoretyczna, pozwalająca zidentyfikować proces lub obiekt po ilości emitowanego lub absorbowanego promieniowania.

Na orbicie znajdują się tysiące satelitów, z czego tylko kilkaset obserwuje środowisko naturalne Ziemi. Czynnych satelitów obserwujących atmosferę jest kilkadziesiąt. W większości są to satelity meteorologiczne. Ich rolą jest służba operacyjna, czyli regularne dostarczanie podstawowych informacji o pogodzie (wielkość i typ zachmurzenia, temperatura lądów i oceanów, pionowy rozkład temperatury i wilgotności). Są to „stacje meteo” o podstawowym zakresie badań. Równolegle na orbicie pracują satelity specjalistyczne, o zawężonym i ukierunkowanym zakresie badań. Przykładowo, specjalistycznym satelitą klimatologicznym jest ICESat, badający topografię lądolodów (jego dane nie są niezbędne do prognozowania pogody, ale mają ogromne znaczenie w badaniu wpływu zmian klimatu na kriosferę i oceany).

W odróżnieniu od stacji naziemnych, satelity są w ciągłym ruchu. Częstość, z jaką są w stanie dokonywać obserwacji zależy od wysokości orbity, po której satelity krążą. Jeśli jest ona niska (700-800 km) i przebiega nad biegunami, dane są zbierane od dwóch razy na dobę w niższych szerokościach geograficznych do około czternaście razy na dobę w strefach polarnych. Jeśli wykorzystane zostaną dwa lub więcej satelitów o podobnym wyposażeniu, częstotliwość pomiarów ulega zwielokrotnieniu. Satelity meteorologiczne mogą trafić też na orbitę o wysokości około 35000 km, leżącą w płaszczyźnie równika. Obieg planety trwa wtedy dokładnie 24 godziny, a więc tyle ile obrót Ziemi wokół osi. Takie satelity (nazywane geostacjonarnymi) zdają się być zawieszone nad jednym punktem i w przeciwieństwie do satelitów na orbitach niskich, wykonują obserwacje nawet z kilkuminutowym interwałem (typowo 10-15 minutowym).

Co dają satelity klimatologom?

Klimatolodzy swoje rozważania nad procesami atmosferycznymi realizują m. in. poprzez modele. Są to matematyczne opisy relacji między różnymi elementami klimatu. Rolę zmiennej w równaniach może pełnić wilgotność, właściwości chmur, albedo podłoża, stężenie jakiegoś gazu śladowego, temperatura wód oceanu,... Jakość i wiarygodność analiz zależą od poprawności równań (odzwierciedla ona stopień rozumienia zjawiska) ale i jakości materiału obserwacyjnego, czyli owych zmiennych „podstawianych” do równań.

Teledetekcja satelitarna dała klimatologom zupełnie nową jakość. Przede wszystkim dane satelitarne obejmują cały świat. Pokrywają więc także tereny pozbawione sieci naziemnej – obszary słabo zaludnione, pustynie, góry, lądolody, oceany. Obecnie nauka dysponuje już 30-letnimi seriami obserwacji satelitarnych, co jest jednocześnie najdłuższym okresem pomiarów dla większości miejsc na Ziemi (słynne serie 100-, 200-letnie dostępne są dla bardzo niewielu lokalizacji).

Dane z orbity są też bardzo jednorodne, co zwykle cieszy naukowców. Wykonuje się je jednym instrumentem, więc można porównywać warunki w różnych regionach planety. Dodatkowo stan instrumentów (zużycie) jest non stop monitorowany. Czynione są starania, by instrumenty zastępujące się na orbicie przez jakiś czas pracowały wspólnie, co pozwala na względną kalibrację sensorów i homogenizację dłuższych serii czasowych.

Nie bez znaczenia jest miejsce, gdzie instrumenty satelitarne pracują. Będąc na wysokości kilkuset kilometrów de facto obserwują atmosferę spoza atmosfery. Jako jedyne są w stanie powiedzieć ile promieniowania faktycznie trafia na Ziemię i ile promieniowania ziemię opuszcza. Tym samym są najlepszym urządzeniem do sporządzania bilansów radiacyjnych.

Choć satelita nie rzadko kosztuje kilkaset milionów dolarów, w praktyce należy do najtańszych sposobów pozyskiwania danych. Uzyskanie równoważnej liczby pomiarów metodami tradycyjnymi wymagałoby budowy i utrzymania pół miliarda stacji meteorologicznych. Koszty takiego przedsięwzięcia byłyby iście kosmiczne. Warto zwrócić też uwagę na to, że ogromna większość danych z satelitów badających klimat dostępna jest dla każdego, za darmo, poprzez Internet.

Gdzie satelity są niezastąpione?

Aby ułatwić i skoordynować badania nad klimatem prowadzone przez UNFCCC i IPCC, Global Climate Observing System (WMO, IOC, UNESCO, UNEP, ICSU) wyróżnił listę 50 zmiennych, kluczowych dla zrozumienia środowiska klimatycznego naszej planety (tzw. kluczowe zmienne klimatologiczne, ang. essential climate vriables, ECVs). Podzielono je na trzy grupy: atmosferyczne, lądowe i oceaniczne. Okazało się, że w każdej grupie istnieje wiele zmiennych (elementów klimatu), które najlepiej określane są nie za pomocą technik naziemnych, lecz satelitarnych. Są to:

• atmosfera: opady, budżet promieniowania, temperatura górnych warstw atmosfery, kierunek i prędkość wiatru, para wodna, właściwości chmur, dwutlenek węgla, ozon, właściwości aerozoli;
• oceany: temperatura powierzchni oceanów, poziom oceanów, lód morski, kolor oceanu, zasolenie;
• lądy: poziom jezior, pokrywa śnieżna, lodowce i lądolody, albedo, pokrycie terenu, wskaźniki bio-aktywności roślinnej, biomasa, rozmieszczenie pożarów, wilgotność gleby.

Moduł C. „Satelitarna lekcja klimatu” koncentruje się wokół powyższych zmiennych. Pokazuje jak są one badane z perspektywy orbitalnej i jakie znaczenie ma dany element dla warunków klimatycznych Ziemi.