Bez względu na to, czy śniegu spadnie dużo, czy nie ma go wcale, pytanie „kiedy ostatnio mieliśmy taką zimę” zawsze znajduje wiele sprzecznych odpowiedzi. To dlatego, że każdy z nas pamięta pogodę przez pryzmat własnych doświadczeń, a i pamięć sama w sobie też lubi płatać figle. Po obiektywną informację o historii zim musimy pofatygować się do najstarszych górali lub… sięgnąć po dane satelitarne. Skupmy się na tym ostatnim źródle informacji.

Najważniejszą cechą pokrywy śnieżnej, odnotowywaną tak przez obserwatorów naziemnych, jak i satelitarnych, jest jej obecność. Gdy korzystamy z obrazów satelitarnych, stwierdzenie wystąpienia śniegu nie wydaje się szczególnym wyzwaniem. Ot, wystarczy spojrzeć na obraz i ocenić, czy to „coś białego” jest śniegiem, czy nie. Oczywiście współczesny klimatolog nie wykonuje takiej analizy „na piechotę”, wizualnie. Zamiast po album z fotografiami sięga po komputer i algorytmy automatycznego wykrywania śniegu. Automatyzacja wymaga jednak, by zagłębić się nieco w fizykę.

Nie wszystko śnieg, co się bieli

Nośnikiem informacji w satelitarnych obserwacjach Ziemi jest promieniowanie elektromagnetyczne, w tym najważniejszy dla nas jego zakres – światło (promieniowanie o długości fali od 0,4 do 0,8 mikrometra). Każdy, kto widział śnieg, wie, że jest on biały. „Biały” znaczy ni mniej, ni więcej, że nie ma on koloru, a więc w zakresie promieniowania widzialnego fale wszystkich długości są odbijane w takim samym stopniu. Dodajmy: dużym stopniu, dlatego śnieg jest biały, a nie szary, czy czarny. Na obrazach satelitarnych świeżo spadły śnieg uchodzi wręcz za najjaśniejszy obiekt, jaki możemy zobaczyć na powierzchni Ziemi.

Szybki rzut oka na obraz satelitarny pokaże nam jednak i inne białe obiekty – chmury. Niestety, w zakresie promieniowania widzialnego one także są białe, gdyż odbijają światło niemal równie intensywnie, jak śnieg. W efekcie odróżnienie śniegu od chmur zawsze jest trudne, a czasami wręcz niemożliwe. Tzn. takie by było, gdybyśmy nie dysponowali innymi zakresami promieniowania, w tym w szczególności bliską podczerwienią (0,8-3,8 mikrometra; zakres niedostępny dla ludzkiego oka).

Esencją teledetekcji jest wyszukiwanie długości fal, które różnicują obiekty między sobą: pozwalają odróżnić las liściasty od iglastego, uprawę pszenicy od uprawy kukurydzy, czy chmurę od śniegu. Badania pokazały, że dla śniegu kluczowe są dwa zakresy: 1,6 mikrometra oraz 2,1 mikrometra. Co w nich wyjątkowego?

Śnieżno czarny

Wyobraźmy sobie, że oświetlamy pokrywę śnieżną promieniowaniem o różnej długości fali. Zaczynamy od koloru niebieskiego (0,4 mikrometra) i przesuwamy się co mikrometr w stronę podczerwieni, aż do fal o długości 4 mikrometrów. Notujemy przy tym, ile promieniowania jest odbijane przez śnieg. Zauważymy, że w zakresie widzialnym odbicie będzie duże, ponad 80-90%. Jednak z chwilą, gdy przekroczymy próg dzielący światło czerwone i podczerwień (około 0,8 mikrometra), wróci do nas już tylko 50-80% wyemitowanego promieniowania. Im dalej zapuścimy się w podczerwień, tym intensywniejszy będzie spadek odbicia. Aż natrafimy na 1,6 mikrometra…

W zakresie 1,6 mikrometra śnieg będzie czarny. Czarny jak węgiel! Kryształki lodu pochłoną w zasadzie całe promieniowanie – a więc nic nie odbijają. To samo powtórzy się, gdy oświetlimy śnieg promieniami o długości 2,1 mikrometra. Co ciekawe, stopień pochłaniania/odbijania promieniowania przez śnieg w podczerwieni będzie zależny m.in. od tego, jak duże są kryształki lodu, czy są to kryształki „pierwotne” (z opadu śniegu), czy „wtórne” (efekt ponownego zamarznięcia wcześniej stopionych kryształków). Nie bez znaczenia będzie też gęstość warstwy śniegu, czy zawartość ciekłej wody w tej warstwie. Różnice w odbiciu promieniowania będą niewielkie, ale mierzalne. To otwiera drogę do ilościowych badań śniegu, lodu morskiego, lodowców i lądolodów.

Gdybyśmy teraz powtórzyli eksperyment ze zmiennym oświetleniem, ale dla chmur, również zaobserwujemy spadek odbicia w podczerwieni. Również będzie on silniejszy dla fal o długości 1,6 i 2,1 mikrometra. Jednak nigdy chmury nie pochłoną całego promieniowania w tych zakresach. Zawsze pozostaną wyraźnie jaśniejsze niż śnieg. Właśnie z tego powodu każdy liczący się satelita meteorologiczny (i wiele satelitów „ogólnego przeznaczenia”) posiada w swej specyfice możliwość rejestrowania promieniowania w co najmniej jednym ze śnieżnych zakresów. W przeciwnym razie znaczną część „tego czegoś białego” na zdjęciu satelitarnym należałoby uznać za swoisty „chmuro-śnieg”.

Gdzie optyka nie wystarczy

W satelitarnych obserwacjach śniegu źródłem światła i bliskiej podczerwieni jest Słońce. Ten fakt w oczywisty sposób ogranicza stosowalność opisanej powyżej metody do pory dziennej. Jeśli dynamika zmian występowania pokrywy śnieżnej jest duża (śnieg spadł w nocy, wcześnie rano stopniał), to satelita go nie zdoła zarejestrować. Większym problemem są jednak chmury. Gdy się pojawiają, przykrywają to, co znajduje się na powierzchni lądu i satelita fizycznie nie jest w stanie dostrzec, czy śnieg był obecny, czy nie. Jeśli pokrywa chmur utrzymuje się przez kilka dni… mamy problem – w danych pojawi kilkudniowa przerwa. Trzecia kwestia to grubość pokrywy śnieżnej. Z chwilą, gdy śnieg szczelnie pokryje podłoże, nie ma znaczenia, ile go jest – dla satelity zawsze będzie wyglądał tak samo, niezależnie czy tworzy warstwę o grubości 5 cm, 10 cm czy 2 metrów.

Pomimo ograniczeń, satelitarne, optyczne obserwacje śniegu są powszechne. W odróżnieniu od obserwacji naziemnych pozwalają objąć całą planetę, co samo w sobie jest już trudne do przecenienia. Istnieją też różne strategie radzenia sobie z dziurami w danych, spowodowanymi zachmurzeniem. Względna łatwość analizy danych optycznych spowodowała, że pozyskiwane były już za pomocą pierwszych satelitów meteorologicznych. Amerykańska służba hydro-meteorologiczna (NOAA) dysponuje nawet zbiorem sięgającym wstecz aż do 4 października 1966 roku (trzy lata przed lądowaniem ludzi na Księżycu, pięć lat przed wystrzeleniem pierwszego satelity serii Landsat).

Co jednak zrobić, gdy mimo wszystko zależy nam na informacji o grubości pokrywy świeżej? A do tego chcielibyśmy ją mieć w ciągu dnia i nocy, niezależnie od zachmurzenia? Musimy sięgnąć po satelitarne obserwacje w zakresie mikrofal, ale to już zupełnie inna historia…