Szkiełko i oko

Postrzegamy Ziemię jako kolebkę ludzkości, ale z perspektywy kosmicznej jest ona jedną z wielu tarcz strzeleckich, w które 'celują' wszelkiego rodzaju kosmiczne kamienie - od małych ziaren piasku po kilometrowe planetoidy.

W ostatnich dniach uwagę naukowców i 'cywilów' zwróciła malutka planetoida 2008 TC₃. Mierząc ledwie 2-5 metrów, została dostrzeżona na dość niepokojącej orbicie - okazało się, że przeleci tak blisko Ziemi, iż ziemskie pole grawitacyjne przechwyci skałę. Przyciąganie będzie na tyle silne iż skała wejdzie w atmosferę a jej szczątki być może dotrą do powierzchni planety. Jak przewidziano, tak się stało - 7 października 2008 o 4:46 polskiego czasu.

Nie wiem, czy ktoś widział zjawisko na własne oczy (na niebie miało postać bardzo, bardzo jasnego bolidu). Pewne jest to, że wejście 2008 TC₃ w atmosferę zostało uwiecznione przez satelitę meteorologicznego Meteosat 8.

Powyżej: Wpływ obiektu 2008 TC₃ na atmosferę obserwowany w zakresie 3.9 µm przez sensor SEVIRI na pokładzie geostacjonarnego satelity Meteosat-8. For. Eumetsat.

Pierwsze ze zdjęć (powyżej) wykonane jest w zakresie podczerwieni (3.9 µm). Zakres ten odzwierciedla temperaturę obiektów, a więc nadaje się do obrazowania Ziemi i atmosfery przez całą dobę - w tym w nocy, kiedy 2008 TC₃ dotarł do Ziemi. Miejsce, w którym meteoroid się znajdował można zauważyć już od razu - jest to najcieplejszy obszar na zdjęciu, tzn. o temperaturze ponad 30ºC. Takich temperatur nad pustynnymi regionami Afryki (nocą) raczej się nie notuje. Dla porządku, najwyższa zarejestrowana temperatura sięgała 60ºC. Zdjęcie ma rozdzielczość około 3-4 km i dla takiego piksela dokonywano obserwacji (bardziej technicznie: uśredniano odpowiedź spektralną).

Kolejne zdjęcie (poniżej) pokazuje, iż temperatura na pewno była jeszcze wyższa, gdyż atmosfera rozgrzała się tak bardzo, aż zaczęła świecić. Dzięki temu obecność 2008 TC3 jest dostrzegalna w zakresie widzialnym (0.5-0.9 µm). Tym razem rozdzielczość wynosi 1 km.

Powyżej: 2008 TC₃ w zakresie widzilanym (po lewej) oraz w podczerwieni (po prawej) 'oczyma' sensora SEVIRI. Fot. Eumetsat.

Teraz poczekajmy, aż nad hipotetycznym miejscem upadku przelecą satelity obrazujące w wysokiej rozdzielczości. Może zobaczymy kilka kosmicznych kamyków na sudańskich pustyniach? Swoją drogą, ciekawe co by było, gdyby 2008 TC₃ pojawił się nie nad Afryką, ale nad Europą... a może to mieć miejsce nawet teraz - niestety, większość tego typu obiektów wpada w atmosferę bez naszej wiedzy. Tylko w wyjątkowych sytuacjach sensory na pokładzie satelitów mają okazję być świadkiem niecodziennego wydarzenia. Dobrze, że chociaż tyle!

Ostatni tydzień września spędziłem na największej konferencji meteorologii satelitarnej, jaka w ostatnim czasie miała miejsce. Impreza odbyła się Amsterdamie a organizowali ją wspólnie EUMETSAT i Amerykańskie Towarzystwo Meteorologiczne. Poruszonych zostało mnóstwo ciekawych tematów i sporo tematów szalenie ciekawych. Do tych ostatnich zaliczyłbym wyniki badań nad istnieniem trendu w globalnym zachmurzeniu.

Ale po kolei. Jedynym sensownym sposobem badania globalnego zachmurzenia (to decyduje o bilansie cieplnym planety) jest prowadzenie obserwacji chmur z orbity okołoziemskiej. Tylko w ten sposób można zebrać informacje o zachmurzeniu nad oceanami czy niezamieszkałymi wnętrzami kontynentów. Możliwość zaprzęgnięcia do badań teledetekcji satelitarnej klimatolodzy dostrzegli szybko i w 1992 roku ruszył program ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) - Międzynarodowy Projekt Satelitarnej Klimatologii Chmur. Przedsięwzięcie pionierskie i ambitne. Za pomocą danych z pięciu satelitów geostacjonarnych i dostępnych satelitów na orbitach okołobiegunowych, zaczęto wyznaczać statystyki zachmurzenia w poszczególnych piętrach, właściwości mikrofizyki chmur, właściwości radiacyjne, itp.

W miarę jak danych zaczynało przybywać a problem globalnych zmian klimatycznych stał się bardzo trendy, w danych ISCCP zaczęto doszukiwać się jakichś istotnych statystycznie trendów: wzrostu lub spadku zachmurzenia (ewentualnie jego niezmienności). No i się doszukano, ale... Owo ale prezentowali na konferencji A. Evan, A. Heidinger i D. Vimont (wyniki badań opublikowane są w [1]). Okazuje się, że w czasie, gdy w danych można zaobserwować nagły wzrost lub spadek zachmurzenia, coś równolegle działo się z satelitami. Włączenie lub wyłączenie jednego z satelitów powodowało nagły spadek lub wzrost zachmurzenia. Mniejsza liczba satelitów powodowała również pogorszenie się jakości obserwacji w regionach, które obrazowane były pod największym kątem. Za wahaniami zachmurzenia nie stoja więć zjawiska naturalne, ale np. fakt "odejścia na emeryture" lub "urlopowania" jednego z satelitów.


Powyżej: Średnie zachmurzenie na Ziemi w czerwcu 1991 roku (opis poniżej). Ryc. ISCCP.

O tym, że dane ISCCP do idealnych nie należą może przekonać się każdy patrząc na powyższą grafikę. Przedstawia ona średnie miesięczne zachmurzenie na Ziemi w czerwcu 1991 roku. Jasne odcienie błękitu i biel to duże zachmurzenie, ciemne odcienie i kolor niemalże czarny to miejsca gdzie chmur prawie nie zaobserwowano. Zwrócimy uwagę na Afrykę. Wokół niej oraz zachodniego Atlantyku z łatwością da się zauważyć owalny kształt. Podobny twór można zobaczyć na zachód od Australii, a wprawne oko dostrzeże analogiczne kręgi na Pacyfiku, na zachód od Ameryki.

Zagadkowe kręgi wskazują obszar, nad którym zachmurzenie było analizowane w oparciu o dane z satelitów geostacjonarnych - w przypadku Europy, Afryki i Atlantyku był to satelita serii Meteosat. W pozostałych regionach posłużono się danymi z satelitów okołobiegunowych (NOAA). Inna charakterystyka radiometrów obrazujących na Meteosacie (MVIRI) i NOAA (AVHRR) dała w efekcie inna wrażliwość w czasie wykrywania obecności chmur i więcej dostrzeżono ich na zdjęciach Meteosata niż NOAA. W czasie gdy wykonywano przedstawiane przeze mnie dane nie działał satelita indyjski, stąd w okolicach Indii widać wyraźną przerwę w zasięgu obserwacji satelitów geostacjonarnych, które mają być z założenia podstawowym źródłem informacji dla ISCCP z okolic równikowych.

Kiedyś później hindusi uruchomili kolejnego satelitę, europejczycy podesłali im tez swój stary sprzęt... Problem w tym, ze żonglowanie satelitami, częste ich zmiany i nieplanowane usterki niestety silnie wpływają na jakość danych Gdyby konstelacja satelitarnych obserwatoriów była stabilna, nawet nienajlepszej jakości dane pozwoliłyby poprawnie wyznaczyć tendencje zmian zachmurzenia. A tym czasem... mamy problem.

[1] Evan A. T., Heidinger A.K., Vimont D. J., 2007, Arguments against a physical long-term trend in global ISCCP cloud amounts, Geophysical Research Letters, vol. 34, L04701, doi:10.1029/2006GL028083.

No i ostatnia tegoroczna wakacyjna przerwa przeszła właśnie do historii. Ostatnim akordem wakacyjnych dni były warsztaty Training Workshop on Interpretation of Satellite Images/Products of Convective Storms, zorganizowane przez EUMETSAT w Trieście. Poprzedzały zakończoną dopiero co konferencję poświęconą zagadnieniu gwałtownych burz.

Jedną z ciekawszych rzeczy, o jakiej się dowiedziałem były chmury burzowe, dające wyjątkowe silne opady (w tym gradu wielkości piłek golfowych), tornada i silne wiatry. Niezwykłe w tych chmurach były ich wierzchołki. W typowej chmurze konwekcyjnej, im wyżej, tym chłodniejsze są budujące chmurę cząsteczki wody lub/i lodu. Najwyższe fragmenty chmury, sięgające 18-20 km (a więc przebijające się z troposfery do stratosfery), powinny być zatem najchłodniejsze.

Obserwacje satelitarne chmur będących efektem najsilniejszej konwekcji, pokazały, że opisana powyżej prawidłowość w wielu przypadkach się po prostu nie sprawdza. Najwyższe partie potężnych chmur burzowych są nieco cieplejsze, niż warstwy niższe. W części przypadków cieplejszy fragment chmury ma postać klina, otoczonego czymś na kształt "zimnego V" lub "zimnego U". Takie struktury zaobserwowano już jakiś czas temu. Na warsztatach dowiedziałem się, że kilku obecnych tam naukowców zaczęło obserwować ostatnimi czasy jeszcze bardziej złożone struktury, mające postać pierścieni.


Powyżej: chmury burzowe nad Czechami i Austrią, sfotografowane 25 czerwca 2006 roku (14:00 UTC) przez satelitę MSG-1 (Meteosat 8) w zakresie 10.8 mikronów. Przedstawiony kolorem zakres temperatur zmienia się od 240K (niebieski) do 200K (czerwony). Wyraźnie widoczna jest "plama ciepła" w centrum chmury, otoczona chłodnym pierścieniem. Fot. Stevak i inni [1].

Jak wspomniany pierścień wygląda można zobaczyć na powyższej grafice. Zaczerpnąłem ją z abstraktu Martina Stevaka i innych [1], będącego skrótem wystąpienia z konferencji w Trieście. Co do genezy tej formy rozpisywał się nie będę, bo jest to dla mnie coś na tyle nowego, że sam nie wiele o takich chmurach wiem :) W miarę postępów odpowiednie komentarze popełnię.

[1] Stevak M., Novak P., Lindsy D. T., Rabin R. M., Wang P. K., Radova M., 2007, Central European convective storms penetrating deep into the lower stratosphere - MSG IR and radar observations and radiative transfer modeling, 4th European Conference on Severe Storms, 10-14 września, Triest, Włochy.
http://www.essl.org/ECSS/2007/abs/04-Satellites/setvak-1177574574.pdf