Sääsatelliitit

Jotta satelliitti pysyisi kiertoradalla, sen on liikuttava oikealla nopeudella, joka riippuu lentokorkeudesta. Tähtitieteestä tuttu Keplerin kolmas laki koskee myös satelliitteja: kiertoajan neliö on verrannollinen radan säteen (tai rataellipsin isoakselin puolikkaan) kolmanteen potenssiin. Mitä pitempi kiertoaika satelliitille halutaan, sitä kaukaisemmalle radalle se on vietävä. Jos satelliitti liikkuu liian matalalla radalla, ilmakehän kitka pudottaa sen pian alas. Käytännössä alimmat radat ovat noin 200 kilometrin korkeudella, jolloin kiertoaika on hieman vajaa puolitoista tuntia.

Säähavainnointiin käytetään kahta satelliittityyppiä: päiväntasaajan suuntaisesti kiertäviä geostationäärisiä satelliitteja ja navalta toiselle kiertäviä naparatasatelliitteja.

Geostationääriset satelliitit kiertävät maata päiväntasaajan yläpuolella 36 000 kilometrin korkeudella. Niiden kiertoaika on 23 tuntia 56 minuuttia 4 sekuntia, eli sama kuin Maan pyörähdysaika. (Tätä ei pidä sekoittaa vuorokauden pituuteen, johon vaikuttaa myös Maan rataliike Auringon ympäri.) Näin niiden alapuolella pysyy aina sama puoli maapallosta. Tällöin kuvia voidaan ottaa samalta alueelta helposti vaikka puolen tunnin välein.

Kaukana päiväntasaajalta, kuten Pohjois-Suomessa, olevat alueet satelliitti näkee kuitenkin niin vinosta kulmasta, että erotuskyky on huono, eivätkä pilvet itse asiassa edes ole sen paikan yläpuolella missä ne näyttävät olevan. Aivan napojen ympäristöt jäävät kokonaan katveeseen. Tieteellisiin tarkoituksiin kelpaavaa tietoa saadaan 55 asteen leveydelle asti ja jonkinlaista käyttökelpoista tietoa 70 asteeseen asti.

Naparatasatelliitit kiertävät maapalloa läheltä napoja kulkevalla radallaan noin 850 kilometrin korkeudella. Yksi kierros kestää noin 100 minuuttia. Kierroksen aikana maapallo kääntyy satelliittiradan alla noin 25 astetta. Naparatasatelliitti kuvaa likimain suoraan alapuolellaan olevan 2500 km leveän alueen. Kuvat ovat myös huomattavasti tarkempia kuin geostationäärisen satelliitin kuvat reuna-alueilla kuten Suomessa; niissä näkyy jopa muutaman kilometrin kokoisia yksityiskohtia, esimerkiksi yksittäisiä kumpupilviä. Haittapuolina on, että kuvia ei saada samasta paikasta kovin usein, ja että jokainen kuva on hiukan eri alueelta, mikä hankaloittaa kuvien automaattista käsittelyä, kuten rantaviivan tunnistamista.

Satelliitteihin sijoitetut säteilyanturit "kuvaavat" maata useilla eri aallonpituuksilla, joita kutsutaan kanaviksi. Säähavainnoinnissa käytetyimpiä ovat näkyvän valon ja infrapunaisen alueet. Näkyvän valon (aallonpituus 0.4-0.7 mikrometriä eli 400-700 nm) kuvien tulkinta on helpointa: esimerkiksi valkeat pilvet ovat siinä valkeita ja tummemmat metsät tummempia. Yöllä näkyvän valon kanavalla ei näy juuri mitään: kuva 1.1 on satelliittikuva, joka on tehty yhdistelemällä eri kanavien tietoja, ja siinä läntinen pallonpuolisko on pimeä, koska siellä on yö.

Infrapuna-alueelta (1 ja 30 mikrometrin väliltä) käytetään tyypillisimmin 10-12.5 mikrometrin aallonpituutta, jolla maanpinnasta lähtevä säteily pääsee lähes vaimentumatta ilmakehän pilvettömien osien läpi. Infrapunasäteilyn voimakkuus on verrannollinen säteilevän pinnan lämpötilaan, ja koska pilvet ovat useimmiten sitä kylmempiä mitä ylempänä ne ovat ja lisäksi selvästi kylmempiä kuin maanpinta, on infrapunakanava säähavainnoinnissa käytetyin kanava. Infrapunakuvien harmaasävyasteikkoa käytetään toisin päin kuin muiden kanavien: kun tavallisesti vaaleampi sävy vastaa voimakkaampaa säteilyä, vastaa infrapunakanavalla vaalein sävy vähiten säteilevää aluetta. Se on yleensä pilveä, joka halutaan esittää valkoisena tummaa maata vasten.

Infrapunakuvat ovat yöllä lähes samannäköisiä kuin päivälläkin, sillä meren ja pilvien lämpötila pysyy melko samana yötä päivää. Pohjoisilla manneralueilla talvisaikaan infrapunakuvien tulkinta voi tuottaa ongelmia, sillä kylmä lumipinta näyttää samalta kuin jääkidepilvet, jolloin selkeät alueet voidaan tulkita pilvisiksi. Erityisen hämäävä on tilanne, jossa on paikoin suhteellisen lämpimiä (-5°) matalia sumupilviä ja laajoilla alueilla selkeää, jolloin lumipinnan lämpötila voi olla vaikka -40 astetta. Toinen tulkintaongelma syntyy kylmien yläpilvikerrosten kohdalla; ne näyttävät paksuilta ja satelliittikuvan perusteella voisi luulla sään alhaalla maanpinnalla olevan pilvistä ja sateista. Alhaaltapäin katsottuna yläpilvet ovat kuitenkin hentoja, eikä niistä tule lainkaan sadetta.

Vesihöyrykanavaksi kutsutaan aallonpituuksia, joilla vesihöyry absorboi maanpinnasta lähtevää säteilyä. Mahdollisia aallonpituuksia on useita; käytetyin on noin 6.7 mikrometriä. Tällä aallonpituudella suurin osa satelliittiin saapuvasta säteilystä on lähtenyt troposfäärin keskiosista, noin 600 ja 300 hPa:n väliltä. Oheisessa kuvassa on vesihöyrykanavan kuva samalta ajalta kuin muutkin satelliittikuvat. Siinä ei näy maan ja meren rajoja. Korkeimmat pilvet erottuvat hyvin, ja niiden lisäksi näkyy mustia kielekkeitä alueilla, jotka muiden kanavien tietojen mukaan ovat selkeitä. Tummat kielekkeet ovat alueita, joilla koko troposfäärin kosteus on vähäistä, ja ne usein liittyvät laajoihin laskevan liikkeen alueisiin.

Näiden kolmen kanavan lisäksi satelliiteista tehdään useita muitakin mittauksia, joita käytetään lähinnä tutkimuksessa. Sään havainnointiin ja esittämiseen tehdään myös erilaisia yhdistelmiä ja tulkintoja eri kanavien mittauksista. Automaattisia menetelmiä kehitetään tunnistamaan eri pilvilajeja tai yksinkertaisimmillaan selkeät, pilviset ja satavat alueet.

Satelliitteja voidaan käyttää tuulen havainnointiin kahdella tavalla: joko seuraamalla pilviosasten liikkeitä kuvasta toiseen tai selkeällä säällä merialueiden sirontaa, joka kertoo aallokon korkeudesta.