Andrzej Z. Kotarba Obserwacje Ziemi

Jak Aeolus z Aladynem pomogą zobaczyć wiatr

Satelita Aeolus z lidarem ALADIN na orbicie. Rys. ESA Satelita Aeolus z lidarem ALADIN na orbicie. Rys. ESA

Kilka dni temu na orbicie pojawił się satelita Aeolus (pol. Eol). Jeśli dobrze liczę, to już 199. satelita wystrzelony w kosmos w tym roku. Warto jednak poświęcić mu nieco uwagi. Na jego pokładzie zamieszkał bowiem Aladyn, który w iście magiczny sposób oszacuje prędkość wiatru w atmosferze.

Tak naprawdę Aladyn to ALADIN (skrót od Atmospheric LAser Doppler INstrument), czyli lidar dopplerowski do badań atmosfery. Lidar to specyficzna odmiana lasera. Tak, jak każdy laser wysyła krótkie impulsy promieniowania elektromagnetycznego. W przypadku ALADIN są to błyski ultrafioletu trwające zaledwie 15 nanosekund (piętnaście miliardowych części sekundy). Na drodze wysłanego impulsu stają jednak najróżniejsze przeszkody, od których impuls jest odbijany. Co ważne – odbijany także w kierunku, skąd przybył.

W odróżnieniu od typowego lasera, lidar wyposażony jest też w odbiornik, który wychwytuje powracające (odbite) promieniowanie. Detektory odbiornika zapisują charakterystykę powracającego sygnału. Rejestrowany jest m.in. czas powrotu impulsu, dzięki czemu można policzyć jak daleko od nadajnika znajdował się obiekt, od którego impuls się odbił. Gdy badana jest atmosfera, sygnał odbija się kolejno od różnych jej warstw, w efekcie czego jeden laserowy strzał z orbity pozwala uzyskać informację o pionowym zróżnicowaniu atmosfery.

ALADIN to lidar dopplerowski, a więc wykorzystujący efekt Dopplera. Efekt ten zna każdy, kto nasłuchiwał dźwięku jadącej na sygnale policji, pogotowia czy straży pożarnej. Gdy pojazd zbliża się, dźwięk jest wyższy, niż gdy pojazd się oddala. To konsekwencja emisji dźwięku w ruchu i nakładania się prędkości samochodu i prędkości dźwięku. Im szybciej pędzi samochód, tym większa różnica w wysokości (częstotliwości) dźwięku. Z intensywności efektu Dopplera można zatem wyczytać całkiem sporo o prędkości! Radary policyjne działają właśnie w oparciu o metody dopplerowskie.

Efekt Dopplera dotyczy nie tylko fal akustycznych (dźwięk) ale też elektromagnetycznych, co czyni go niezwykle przydatnym narzędziem w badaniach szeroko pojętego „ruchu”. Fizycy atmosfery postanowili skorzystać z odkrycia Dopplera do uzyskania informacji o prędkości wiatru. Skonstruowali lidar, którzy mierzy nie tylko czas między nadaniem i odbiorem sygnału, ale także to, jakiemu przesunięciu dopplerowskiemu uległ sygnał w następstwie kontaktu z ruchomą atmosferą.

ALADIN celuje (dosłownie i w przenośni) w atmosferę bezchmurną. Impulsy lasera będą odbijały się od gazów atmosferycznych („czystego” powietrza) i aerozoli. Dzięki temu możliwe będzie wyznaczenie pionowego profilu wiatru w całej atmosferze – od powierzchni planety, aż do stratosfery. Jeśli na drodze sygnału znajdzie się chmura, informacja o wietrze zostanie pozyskana tylko dla atmosfery powyżej chmury.

O co chodzi w obserwacji ALADIN? Lidar wysyła w kierunku atmosfery ultrafioletowy impuls na fali o długości 355 nm (fioletowy pik na grafice). Wybrano ultrafiolet, gdyż jest on najsilniej rozpraszany przez gazy i aerozole. Sygnał, który wraca ma już nieco inna charakterystykę. Przede wszystkim jego maksimum jest przesunięte względem fali, na jakiej impuls emitowano. Na grafice uwidacznia to położenie „szczyt niebieskich górek” – jest on przesunięty na prawo, względem lokalizacji „szczytu” nadawanego impulsu. Przesuniecie będzie tym większe, im szybciej poruszała się materia odbijająca impuls. Druga rzecz to kształt impulsu. Aerozole i gazy atmosferyczne odbijają ultrafiolet w inny sposób. Odbicie przez aerozole opisuje teoria Mie, podczas gdy odbicie molekularne – teoria Rayleigha. Nie wdając się w szczegóły, impuls odbity od gazów będzie miał mniejsza intensywność i będzie bardziej „rozciągnięty” w długości fali, podczas gdy odbicie od aerozolu da sygnał „wąski” i mocny. Przesuniecie dopplerowskie będzie widoczne w obydwu. Rys. ESA (zaadaptowane).
O co chodzi w obserwacji ALADIN? Lidar wysyła w kierunku atmosfery ultrafioletowy impuls na fali o długości 355 nm (fioletowy pik na grafice). Wybrano ultrafiolet, gdyż jest on najsilniej rozpraszany przez gazy i aerozole. Sygnał, który wraca ma już nieco inna charakterystykę. Przede wszystkim jego maksimum jest przesunięte względem fali, na jakiej impuls emitowano. Na grafice uwidacznia to położenie „szczyt niebieskich górek” – jest on przesunięty na prawo, względem lokalizacji „szczytu” nadawanego impulsu. Przesuniecie będzie tym większe, im szybciej poruszała się materia odbijająca impuls. Druga rzecz to kształt impulsu. Aerozole i gazy atmosferyczne odbijają ultrafiolet w inny sposób. Odbicie przez aerozole opisuje teoria Mie, podczas gdy odbicie molekularne – teoria Rayleigha. Nie wdając się w szczegóły, impuls odbity od gazów będzie miał mniejsza intensywność i będzie bardziej „rozciągnięty” w długości fali, podczas gdy odbicie od aerozolu da sygnał „wąski” i mocny. Przesuniecie dopplerowskie będzie widoczne w obydwu. Rys. ESA (zaadaptowane).

Ponieważ pojedynczy, nanosekundowy impuls lasera jest bardzo słaby, przyjęto, że na jeden profil prędkości wiatru złoży się aż 700 laserowych strzałów, wykonywanych jeden za drugim przez 7 sekund. W tym czasie ALADIN obejmie próbkowaniem fragment atmosfery o długości około 87 km. Przez kolejne 21 sekund laser będzie milczał. W efekcie, profile wiatru będą uzyskiwane nie dla każdego miejsca, nad którym pojawi się satelita, ale w odstępach co około 230 km.

Wchodząc nieco bardziej w kwestie bardziej techniczne, strategia obserwacji zakłada podział atmosfery na trzy przedziały wysokości. W każdej zaprogramowano inną rozdzielczość pionową danych oraz inną dokładność szacunku prędkości wiatru. W warstwie najniższej (granicznej, do 2 km nad powierzchnią terenu) informacja będzie uzyskiwana co 250 m wysokości, z dokładnością lepszą niż 1 m/s. W pozostałej części troposfery (od 2 km do 16,5 km) rozdzielczość pionowa spadnie do 1 km, a dokładność szacunku do nie mniej niż 2 m/s. Wyżej, w stratosferze (16,5- 26,5 km), prędkość wiatru oceniana będzie z dokładnością 2-3 m/s i co 2 km wysokości.

Do tej pory podstawowym sposobem teledetekcyjnej oceny kierunku i prędkości ruchu powietrza były obserwacje wierzchołków chmur. Naukowcy brali dwa zdjęcia atmosfery, wykonane w znanym odstępie czasu, i patrzyli, o ile kilometrów przesunęły się układy chmurowe w tym czasie. Ponieważ chmury występują na różnej wysokości, pośrednio można było uzyskać informację o prędkości wiatru na różnych poziomach atmosfery. Szacunek ten miał wiele wad. Choćby błąd oceny prędkości wiatru sięgający nawet 10 m/s, brak informacji dla najniższej części atmosfery, brak jakiejkolwiek informacji dla nieba bezchmurnego, niepewność co do wysokości na jakiej występują chmury.

Aeolus i ALADIN rozpoczynają więc zupełnie nowy rozdział w satelitarnych badaniach wiatru. Na dane z satelity z niecierpliwością czekają spece od prognozowania pogody. Im najbardziej doskwiera brak wiarygodnych informacji o wietrze w skali całej planety, i to oni powinni być największymi wygranymi w misji Aeolus. Jednak w jak dużym stopniu moce Aladyna przyczynią się do podniesienia wiarygodności prognoz? Na odpowiedź przyjdzie nam poczekać co najmniej kilka miesięcy.