Szkiełko i oko

Dążąc ku ideałowi, poszukując rozwiązań lepszych niż idealne, Szkiełko i oko wybrało się w podróż, której celem stała się nowa lokalizacja i nowy serwer. Od teraz notatki Andrzej ze świata teledetekcji i okolic znajdziesz pod adresem: http://blog.teledetekcja.pl/. Zapraszam!

Ogromny pożar magazynów w Wólce Kosowskiej (okolice Warszawy) został zaobserwowany przez sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) satelity Aqua 10 maja 2011, o godzinie  13.10 czasu polskiego (11.10 czasu uniwersalnego).

Pożar w Wólce Kosowskiej obserwowany przez MODIS. Pełna rozdzielczość pod TYM linkiem. Ryc.: NASA/GSCF/CBK PAN/A.Kotarba

Grafika po lewej stronie to efekt rejestracji promieniowania widzialnego, dostępnego również dla ludzkich oczu. Dym powstały w wyniku pożaru ma barwę ciemną, podobnie jak roślinność pokrywająca teren, co utrudnia jego dostrzeżenie. Roślinność, w przeciwieństwie do dymu, silnie odbija promieniowanie podczerwone, toteż jego uwzględnia w obserwacji (grafika środkowa) powoduje wzrost kontrastu na obrazie i chmura dymu jest znacznie wyraźniej dostrzegalna. Ostatnia z grafik(po prawej) prezentuje temperaturę powierzchni lądu, gdzie kolor żółty odpowiada 20 stopniom Celsjusza, a najciemniejsza czerwień to 40 stopni Celsjusza. Chmura dymu przysłaniając ląd, absorbuje promieniowanie cieplne Ziemi, w związku z czym w miejscu występowania chmury temperatura jest niższa nawet o 5-10 stopni Celsjusza, niż nad otaczającym terenem. Tak duża różnica świadczy o tym, iż dym jest bardzo gęsty (znajdujące się w atmosferze aerozol ma dużą masę optyczną).

Chmura dymu miała w przybliżeniu rozmiar 30 km x 10 km. Układała się liniowo, w kierunku południowym. Odpowiadało to kierunkowi wiatru, zaobserwowanemu na stacji meteorologicznej Warszawa-Okęcie. Gdyby wiatr wiał z kierunku przeciwnego chmura dymu byłaby widoczna nad całą Warszawa, prawdopodobnie utrudniając ruch lotniczy nad Okęciem.

MODIS nie pozwala na uzyskanie informacji w wyższej rozdzielczości przestrzennej niż 250 m. Jego ogromną zaletą jest natomiast zdolność do dostarczania danych dla każdego obszaru na Ziemi co najmniej dwa razy na dobę.

Naukowcy Zespołu Obserwacji Ziemi w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN) wykorzystują dane obserwacyjne z kilkudziesięciu sensorów satelitarnych m.in. do badania nagłych i niebezpiecznych dla człowieka zjawisk przyrodniczych, takich jak powodzie, susze, pożary czy burze.

Pożar w Wólce Kosowskiej - animacja obrazów satelity Meteosat

I znów Wisła zalewa... tereny zalewowe - tereny nadrzecze sztucznie oddzielone od rzeki wałami. Ale natura ma to do siebie, że ile razy ktoś (świadomie lub nie) próbuje ją przechytrzyć, ona szybko przychodzi z korepetycjami. Techniki teledetekcji satelitarnej pozwalają nam te lekcje obserwować.

Obrazy, o których dziś opowiem, odzwierciedlają zmianę w intensywności odbicia sygnału radarowego, wynikającą m.in. ze zmiany szorstkości podłoża. Jeśli podłoże jest gładkie, impuls radarowy odbija się od niego niczym piłka od parkietu i nie wraca już do satelity. Co innego, gdy powierzchnia jest szorstka - wtedy sygnał rozprasza się w wielu kierunkach, także w kierunku, z którego nadszedł, a więc w kierunku satelity.

Z gładką powierzchnią mamy do czynienia np. w przypadku rzek i jezior. Zarówno w lecie, jak i zimie, gdy rolę gładkiej tafli pełni warstwa lodu. Sytuacja zacznie się zmieniać, gdy powierzchnia wody zmieni geometrię. Czy to w wyniku falowania, czy spękania i spiętrzenia lodu. Zamiast płaskiej tafli wody/lodu mamy urozmaiconą powierzchnię, bardziej szorstką. Dzięki temu zimą stosunkowo łatwo można wskazać miejsca, gdzie powstaje lodowy zator. Oto przykład z ostatnich dni.

Porównajmy dwa obrazy, uzyskane za pomocą radaru ASAR, zainstalowanego na pokładzie europejskiego satelity Envisat. ASAR wykorzystuje do obserwacji Ziemi fale elektromagnetyczne o długości 5,7 cm. Fale o takiej charakterystyce bez większych przeszkód przenikają przez atmosferę i znajdujące się w niej chmury, pokazując dopiero to, co znajduje się na powierzchni Ziemi. Dzięki temu możliwe jest otrzymywanie obrazów bez względu na zachmurzenie (a to w zimie w Polsce często przekracza 70% w skali miesiąca). Dane mają rozdzielczość około 150 metrów. To stosunkowo mało, nawet jak na największe polskie rzeki. Niemniej jednak nie aż tak mało, by nic nie dostrzec. Co więc widzimy?

Powyżej: maj 2010, oczy sporej części Polski zwrócone są na Świniary, gdzie Wisła przerwała wał. Obszar zalany przez wodę widać na powyższym zobrazowaniu radarowym ASAR. Woda zaznaczona jest ciemnymi odcieniami szarości. Rys.: Andrzej Kotarba/CBK PAN/ESA.
Kliknij tu by zobaczyć grafikę w wyższej rozdzielczości, a tu by zobaczyć grafikę w wersji bez napisów.

Pierwszy z obrazów ASAR został wykonany 25 maja 2010. Widoczna na grafice część doliny Wisły dopiero co doświadczyła przejścia fali powodziowej. W okolicach Świniar wały przeciwpowodziowe okazały się za słabe i wody Wisły pokryły obszar zalewowy. Woda zaznaczona jest na grafice najciemniejszymi odcieniami szarości (słabe odbicie sygnału radarowego). Drugiego zobrazowania ASAR dokonał 6 stycznia 2011. Widzimy ten sam obszar, również zmagający się z rzeką, choć tym razem geneza wezbrania Wisły jest już nieco inna. Rzeka przedstawia się zarówno w najjaśniejszych, jak i najciemniejszych odcieniach szarości. Barwy bliższe czerni wskazują, że powierzchnia wody jest gładka - albo wolna od lodu, albo pokryta gładką warstwą zamarzniętej wody. Taką sytuację dostrzeżemy np. na Zbiorniku Włocławskim i w okolicach Płocka. Im bliżej Nowego Dworu Mazowieckiego, tym Wisła 'jaśniejsza' - powierzchnia rzeki w coraz większym stopniu pokryta jest spiętrzoną krą. Powierzchnia rzeki jest bardzo urozmaicona, szorstka - ASAR rejestruje silniejsze odbicie. Duże urozmaicenie terenu występuje również w miastach, stąd i one są zaznaczone kolorem białym, bez względu na porę roku.

Powyżej: styczeń 2011, oczy sporej części Polski kierują się na Wyszogród, w okolicach którego piętrzy się kra na Wiśle. Spiętrzony lód powoduje wzrost szorstkości podłoża, co zwiększa odbicie sygnału radarowego. Obszary o większej szorstkości w obrębie rzeki zaznaczają się jasnymi odcieniami szarości i bielą. Najbardziej szorstka powierzchnia Wisły występuje między nowym Dworem Mazowieckim a Wyszogrodem. Dalej, aż po Płock, widać wyższą szorstkość niż latem - tu lód najprawdopodobniej nie jest aż tak bardzo spiętrzony. Między Płockiem a Włocławkiem Wisła wygląda bardzo podobnie jak w lecie - jest gładka, co może oznaczać albo gładką taflę wody, albo gładką taflę lodu (lód nie spiętrzony). Rys.: Andrzej Kotarba/CBK PAN/ESA.
Kliknij tu by zobaczyć grafikę w wyższej rozdzielczości , a tu by zobaczyć grafikę w wersji bez napisów.

Zestawmy teraz obydwa obrazy w jeden. Kolorystyka grafiki odpowiada wzrostowi (czerwień) lub spadkowi (niebieski) szorstkości podłoża. Na obszarze Wisły wiąże się ono z obecnością spiętrzonej kry. Im większe nasycenie czerwieni, tym większa zmiana szorstkości, a więc najprawdopodobniej tym większe spiętrzenie kry. Praktycznie nieistotne zmiany szorstkości podłoża wystąpiły na obszarze Zbiornika Włocławskiego.

Powyzej: zestawienie obrazów z maja 2010 i stycznia 2011. Kolor czerwony oznacza wzrost szorstkości. Na obszarze Wisły wynika on najprawdopodobniej z pojawienia się spiętrzonego lodu. Można również zauważyć wzrost szorstkości terenu w okolicy Świniar. To nie piętrzący się lód, ale znak, że majowa woda już zniknęła, a opadając i parując odsłoniła naturalne podłoże, które jest bardziej szorstkie niż tafla wody. Rys.: Andrzej Kotarba/CBK PAN/ESA.
Kliknij tu by zobaczyć grafikę w wyższej rozdzielczości , a tu by zobaczyć grafikę w wersji bez napisów.

Jak widać satelitarne obrazowanie radarowe może sprawdzić się również w monitoringu rzek, szczególnie na okoliczność zjawisk postrzeganych przez społeczeństwo jako "zjawiska ekstremalne" lub "niebezpieczne". Dane radarowe przygotowywane przez Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk już dowiodły swej przydatności podczas powodzi w maju 2010. Kwestią czasu (i funduszy - niestety) jest ich stała obecność w centrach zarządzania kryzysowego.

Gdy w chłodniejszej połowie roku zmierzch zapada wcześniej niż latem, łatwiej na niebie zobaczyć przelatującego satelitę - częściej o zmierzchu przebywamy poza domem. Jednak czy widząc „satelitę”, tak na prawdę widzimy satelitę? Skąd ta wątpliwość? Biorąc pod uwagę typową wysokość niskiej orbity okołoziemskiej (400-700 km) i rozmiar samych satelitów, powiedzmy 15x15 metrów (znacznie zawyżony)... staramy się za pomocą naszych oczu dostrzec obiekt o rozmiarach kątowych między 0.001°-0.002°. Czy to dużo? Wystarczy porównać z możliwościami ludzkiego oka, których rozdzielczość kątowa wynosi około 0.02°-0.03°. Różnica o rząd wielkości. Nic z tego – nie jesteśmy w stanie zobaczyć satelity. Widzimy jedynie „kosmicznego zajączka” - odbite przez satelitę światło słoneczne, które dzięki silnemu kontrastowi z czarnym tłem, stosunkowo łatwo jest rejestrowane przez bio-detektory w naszych oczach.

Ale okazuje się, że satelity można jednak na własne oczy zobaczyć. Pod warunkiem, że tuż przed nimi znajdzie się teleskop. Na poziomie zaawansowanego astro-fotografa możliwe jest uchwycenie na kliszy/matrycy CCD jakiegoś sporego obiektu na niskiej orbicie okołoziemskiej - np. wahadłowca lub stacji kosmicznej. Do szalenie spektakularnych przypadków należą ujęcia stacji kosmicznej przelatującej przed tarczą Słońca. Widoczne są wtedy nie pojedyncze świecące punkty, ale struktura obiektu – zarys promu kosmicznego czy panele baterii słonecznych.

ISS przelatująca na tarczy Słońca. Jedno z pieknych zdjęć Thierry'ego Legault (http://www.astrophoto.fr/ - polecam!)

Dojrzeć duży obiekt na wysokości 400 km to jedno. Dojrzeć duży obiekt na orbicie geostacjonarnej, to już coś z zupełnie innej beczki. „Geostacjonarna” jest tu synonimem odległości aż 36000 km. Przeniesiona na taką odległość międzynarodowa stacja kosmiczna zmniejszyłaby swoją wielkość kątową 100 razy, stając się na amatorskich zdjęciach pewnie jednym jasnym pikselem (może kilkoma, ale za nic nie można by rozpoznać, co to za obiekt). Na plac zabaw wkraczają w tym miejscu profesjonalni astronomowie ze swoimi profesjonalnymi „zabawkami”. Podczas testów teleskopu Keck (lustro 10 m, o 0.4 mniej niż u największego teleskopu świata) oraz systemu optyki adaptatywnej, na celowniku instrumentu znalazł się m.in. satelita GE-23 (orbita geostacjonarna 172°E). Satelita ma długość 39 metrów i na obrazach Kecka został uchwycony na powierzchni około 25x15 pikseli. Daje to w przybliżeniu rozdzielczość metryczną na poziomie około 2 metrów. Keck umożliwił obserwację w dwóch zakresach widma: 1,25 i 2,17 μm. Zakresy te bardzo wyraźnie zróżnicowały główne części satelity – panele baterii słonecznych odbijały silnie promieniowanie 2,17 μm, podczas gdy na 1,25 μm promieniowania odbijała przede wszystkim główna część GE-23, praktycznie niedostrzegalna w 2,17 μm.

Wstępne obrazy satelity GE-23 z teleskopu Keck. Po lewej obraz w zakresie 1,25 μm, po prawej w 2,17 μm. Fot. J. Drummond i R. Rasta.

Satelita GE-23 oczyma teleskopu Keck - tym razem oryginalne obrazy poddane zostały filtrowaniu, po czym informację w dwóch zakresach połączono w jeden obraz: w skali szarosci oraz kolorowy (dwuspektralny). Fot. J. Drummond i R. Rasta.

Eksperymenty Kecka były (wedle ich autorów – Jacka Drummonda i Richarda Rasta) pierwszym w historii przypadkiem, gdy udało się dostrzec szczegóły budowy satelity geostacjonarnego za pomocą naziemnego teleskopu. Wcześniejsze obrazy przedstawiały satelity jako „gwiazdy”, a więc obiekty punktowe. Dokładnie tak, jak widzimy je naszymi oczyma.

I nasz dzisiejszy bohater w całej okazałości - GE-23 na grafice z jakiegoś folderu reklamowego. Ryc. Thales Alenia Space.

Ziemia i Księżyc widziane w zakresie 0.63 µm przez radiometr obrazujący satelity GOES-13. Fot.: CIMSS/SSEC/WISC.

(W pewnym sensie w nawiązaniu do poprzedniej notki). Ziemia jest non stop obserwowana w znacznie wyższej rozdzielczości z odległości ~36000 km, tj. z orbity geostacjonarnej. Współczesne geostacjonarne satelity meteorologiczne są w stanie dostarczać obrazów z rozdzielczością czasową kilku minut, a w czasie różnego rodzaju eksperymentów nawet kilkudziesięciu sekund. Czasem zdarzy się tak, iż geometria obrazowania i mechanika niebieska zgrają się ze sobą i w jednym kadrze obok Ziemi znajdzie się Księżyc. Przedstawiam dzisiaj przykład takiej sytuacji - obserwacja radiometru obrazującego amerykańskiego satelity GOES-13, wykonana 31 października 2010 o 23:45 UTC.

Fragment Ziemi to północno-wschodnia część Pacyfiku, na wysokości od Seattle po południowe granice stanu Alaska. Sam Księżyc wygląda dość dziwacznie. Zamiast pięknego dysku widać poszatkowana elipsę. To rezultat ruchu - satelita geostacjonarny jest "stacjonarny" względem "geo", a więc jego ruch synchronizuje z ruchem Ziemi. Podczas skanowania zarówno satelita jak i planeta są względem się nieruchome. Księżyc do takiego układu nie pasuje, wędruje w sobie właściwym kierunku, z własna prędkością. W efekcie, każda kolejna linia skanowania (obraz powstaje kawałek po kawałku, tak jak np. w skanerze biurowym, a nie "za jednym razem", jak w aparacie cyfrowym) łapie "inny" Księżyc. inny - bo znajdujący się już w innym miejscu. Na zdjęciu doskonale widać każdą kolejna linię skanowania.