Jakość nigdy nie jest dziełem przypadku. Dotyczy to także niezwykle kolorowych, bardzo „wyraźnych” i „dokładnych” zdjęć z satelitów Landsat-8/9 czy Sentinel-2. Za spektakularnym efektem wizualnym stoją graficy komputerowi, to oczywiste. Ale niewiele by zdziałali, gdyby nie naukowcy, którzy oczyszczają surowe dane z najróżniejszych zakłóceń: niwelują niepożądany wpływ aerozoli, eliminują zaburzenia wywołane przez parę wodną, a nawet… są w stanie „skasować” niektóre chmury. Ten ostatni zabieg stał się możliwy dzięki obserwacjom klimatologicznym, wykonanym z pokładu samolotu szpiegowskiego U-2.

Chmury, które pozwalają się eliminować ze zdjęć satelitarnych, należą do rodzaju cirrus. Jeśli nazwa ta nic ci nie mówi, przywołaj w pamięci obraz nieba, na którym widoczne są tylko cieniutkie, pierzaste, postrzępione „mgiełki”. Czasem występują same, najczęściej jednak wysoko ponad chmurami innych rodzajów. To właśnie cirrus.

Z prawdziwymi mgłami mają niewiele wspólnego, gdyż mgła to chmura, która swą podstawę ma na powierzchni ziemi. Tymczasem cirrus pojawia się na wysokości od kilku do kilkunastu kilometrów. Czasami trudno go zauważyć, gdyż dla naszych oczu bywa niemalże przezroczysty. Nie przeszkodzi ci więc w opalaniu się, nigdy nie przyniesie opadów. Można powiedzieć, że to najmniej pochmurna za wszystkich chmur.

Cirrusowa pierzyna

Wbrew pozorom, cirrus takim niewiniątkiem nie jest. Wiedzą o tym klimatolodzy, którzy znają też ciemniejszą naturę chmur pierzastych.

Mała przezroczystość cirrus oznacza, że w niewielkim stopniu pochłania on promieniowanie słoneczne, gdy to (w postaci światła) trafia do atmosfery. Ponieważ promieniowanie nie jest zatrzymywane, może dotrzeć do powierzchni lądów i oceanów, by je ogrzać. Powierzchnia Ziemi oddaje otrzymane ciepło, ale już nie jako światło, tylko w postaci promieniowania podczerwonego. A dla niego cirrus okazuje się barierą. Gdy podczerwień chce wydostać się z atmosfery w kosmos, cirrus w ogromnej mierze je blokuje. Zatrzymuje więc ziemskie ciepło przy planecie. Mamy tu do czynienia z klasycznym efektem cieplarnianym.

Skoro cirrus dokłada się go planetarnego efektu cieplarnianego, klimatolodzy są żywo zainteresowani tym, jak bardzo. Po drugie, chcą wiedzieć, czy cirrus jest zjawiskiem coraz częstszym (np. za sprawą intensyfikacji ruchu lotniczego), stabilnym, czy raczej zanikającym. Ma to znaczenie dla określenia przyszłego stanu budżetu energetycznego planety, czyli prognozowania zmiany klimatu.

Jednym z kluczowych wydarzeń dla poznania właściwości cirrus była kampania pomiarowa FIRE (First ISCCP Regional Experiment), a w szczególności druga jej faza (FIRE-II), zrealizowana w listopadzie i grudniu 1991 roku. Przez dwa miesiące kilkadziesiąt instrumentów pomiarowych badało najróżniejsze cechy chmur pierzastych. W ruch poszły radiometry, spektrometry, lasery, radary… W kampanii również wzięły udział specjalnie wyposażone samoloty, w tym jeden z najsłynniejszych samolotów NASA: „Earth Resources-2″ (ER-2).

Szpiegowanie w 224 kolorach

Pod nazwą ER-2 kryje się przekazany w ręce NASA samolot U-2 – jeden z kilkudziesięciu, jakie firma Lockheed zbudowała dla amerykańskiej Centralnej Agencji Wywiadowczej (CIA) i Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (USAF). Najważniejszą cechą U-2 jest jego pułap – może latać na wysokości nawet 20 km! Dzięki temu U-2 był nieosiągalny dla radzieckich systemów przeciwlotniczych i mógł swobodnie realizować misje zwiadowcze nad Związkiem Radzieckim.

Dla ER-2, czyli cywilnej wersji U-2, pułap 20 km to idealna wysokość, by prowadzić obserwacje podobne do satelitarnych. W szczególności z pokładu ER-2 możliwe jest testowanie najróżniejszych koncepcji, które potem są wdrażane w misjach orbitalnych.

W czasie kampanii FIRE-II na pokładzie ER-2 zagościł AVIRIS, czyli Airborne Visible / Infrared Imaging Spectrometer (lotniczy spektrometr obrazujący w zakresie widzialnym i podczerwieni). Urządzenie wręcz przecudne. W dużym uproszeniu: „obrazujący” oznacza, że instrument robił zdjęcia, „spektrometr” – że zdjęć tych było 224 – na raz.

Czym się różniły? Pokazywały ten sam obszar, jednak każde było efektem rejestracji promieniowania o innej długości fali – od 380 do 2510 nanometrów (nasze oczy widzą tylko promieniowanie z zakresu 400-700 nm). 224 zdjęcia to ilość imponująca w porównaniu z 4-7 zakresami, jakie oferowały ówczesne satelity do obserwacji Ziemi. Co więcej, zakresy AVIRIS były bardzo wąskie (każdy po 10 nm), co w praktyce pozwalało uzyskiwać swoisty elektromagnetyczny odcisk palca dla każdego obiektu, który znalazł się w polu widzenia sensora.

ER-2 zaopatrzony w AVIRIS krążył nad Kansas i Zatoką Meksykańską, obrazując atmosferę z wysokości 20 km, a więc górnej granicy troposfery. Zarejestrował w tym czasie wiele kadrów z chmurami, w tym z cirrus.

W czasie analizy materiału naukowcy sprawdzali jak chmury pierzaste prezentują się na każdym z 224 zdjęć. Okazało się, że gdy sięgnięto po zdjęcia odpowiadające promieniowaniu 1375 nm, na obrazie nie było wiać nic – poza cirrusem. Zupełnie jakby ktoś założył na AVIRIS filtr przepuszczający wyłącznie sygnał z chmur cirrus.

Filtr z pary wodnej

Taki filtr istniał faktycznie, a założyła go natura. Występująca w atmosferze para wodna ma tę ciekawą właściwość, że pewne zakresy promieniowania blokuje, a dla innych jakby nie istniała. Zakres w okolicy 1375 nm to właśnie jedno z takich pasm blokady. Im więcej pary wodnej znajdzie się między źródłem promieniowania a obserwatorem, tym silniejsze będzie tłumienie sygnału na fali 1375 nm. Jak to zadziałało w przypadku cirrus?

Poniżej poziomu występowania cirrus znajduje się aż 90-99% atmosferycznej pary wodnej. Powyżej – zaledwie od 1 do 10%. Sygnał wysłany z powierzchni ziemi musi w drodze do satelity stawić czoła 100% pary wodnej, natomiast sygnał płynący z chmur cirrus „walczy” już tylko z zaledwie 1-10% atmosferycznej pary wodnej (bo pozostała część znajduje się poniżej cirrus). Wszystko co, wysyła powierzchnia ziemi/ oceanu jest więc blokowane, niemal wszystko, co wysyła cirrus – rejestrowane. Ot cała filozofia! Wystarczy wiedzieć, gdzie patrzeć.

Odkrycie i eksperymentalne potwierdzenie roli, jaką zakres 1375 nm odgrywa w detekcji chmur piętra wysokiego, znacząco wpłynęło na sposób projektowania późniejszych instrumentów satelitarnych. Wnioski z FIRE-II zastosowano niemal natychmiast. Pierwszym instrumentem satelitarnym, który obrazował w zakresie 1375 nm, został MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), „oczy” programu badawczego NASA Earth Observing System (EOS).

MODIS miał w założeniu zweryfikować kierunki rozwoju przyszłych instrumentów meteorologicznych. Szybko udowodnił, że w planowaniu nowej generacji satelitów meteo nie można pominąć „kanału cirrus”, jak zwykło się nazywać zakres 1375 nm.

Dzisiaj kanał cirrus znajdziemy więc w instrumencie VIIRS (nowa generacja meteorologicznych satelitów NOAA), w sensorach MERSI-3 i VIRR chińskich satelitów meteo serii Feng-Yun-3, w instrumentach METimage i 3MI budowanych dla drugiej generacji europejskich satelitów MetOp.

Kanał 1375 nm zagościł również na orbicie geostacjonarnej, jako jeden z zakresów radiometrów ABI (najnowsze amerykańskie satelity GOES), AGRI (chińskie Feng-Yun-4), FCI (planowany dla nowej generacji europejskich Meteosatów). Nie znajdziemy go jednak w żadnym z obecnych czy planowanych instrumentów meteo Rosji. Czyżby ktoś tu przespał ostatnie 30 lat?

Z klimatologii do pokrycia terenu

W czasie realizacji programu MODIS nie tylko wykrywano chmury cirrus efektywniej niż kiedykolwiek wcześniej. Klimatolodzy zauważyli również, że o ile cirrus nie jest zbyt gruby (optycznie), możliwe jest policzenie, ile promieniowania widzialnego zatrzymał, a ile przepuścił.

Różnicę tę można następnie wykorzystać do korygowania wartości strumienia promieniowania w innych zakresach – poszerzyć zakres korekty radiometrycznej danych o usuwanie części chmur cirrus. To pozwalało bardziej wiarygodnie określać parametry roślinności, właściwości gruntów, stan oceanów. Klimatolodzy, biolodzy, oceanografowie byli zachwyceni.

Sukcesy MODIS w stosowaniu kanału cirrus nie przeszły bez echa w środowisku zajmującym się „tradycyjnymi” obserwacjami powierzchni lądów (tzn. badaniem pokrycia terenu). Tu chmury są odwieczną zmorą i wszyscy marzą o zdjęciach w 100% wolnych od jakichkolwiek obłoków.

Naturalnie wszystkich chmur usunąć się nie da, jednak MODIS udowodnił, że część – jak najbardziej tak. Nic więc dziwnego, że „nieklimatologiczne” satelity serii Landsat (te nowsze, o numerach 8 i 9), oraz europejskiej Sentinel-2, z chęcią skorzystały z doświadczeń MODIS i niosą na swych pokładach sensory uczulone na promieniowanie o długości 1375 nm.

Zakres 1375 nm to nie jedyny przypadek, gdy obserwacja atmosfery w regionach absorpcji promieniowania przynosi więcej pożytku, niż szkody. W taki sposób monitorowane jest też m.in. stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze. Ale to już inna historia…