Družice Envisat - příspěvek Evropy k měření skleníkových plynů

Vladimír Wagner

Nedávno jsem na Oslu psal o měření oxidu uhličitého. Při sbírání materiálu pro článek jsem nemohl nenarazit na projekt Envisat (Environmental Satellite), který je příspěvkem Evropy i ke zkoumání množství skleníkových plynů v atmosféře. Krátká zmínka o družici a jejím pozorování ledovcových polí v Antarktidě už na Oslovi byla. Přesto si myslím, že by podrobnější informace o této družici a jejich výsledcích v oblasti zkoumání skleníkových plynů mohly být pro čtenáře zajímavé a pokusil bych se je v tomto článku poskytnout.

Družice Envisat je nejtěžší a nejkomplexnější družice evropské organizace ESA (zdroj ESA).

Jak už jsem zdůrazňoval v předchozím příspěvku, je důležité získat co nejpřesnější a co nejkomplexnější údaje o množství oxidu uhličitého v atmosféře. Velice vhodným prostředkem k tomu se mohou stát družice provádějící výzkum na oběžné dráze okolo Země. A právě pro komplexní studium prostředí na planetě Zemi jako dynamického celku je určena družice Envisat. Navazuje na evropské družice ERS-1 a 2, které byli vypuštěny v devadesátých letech, ale množství oxidu uhličitého neměřily. Je zároveň součástí rozsáhlé série evropských družic pro výzkum Země. Envisat je největší a nejkomplexnější družicí Země, kterou organizace ESA připravila a vypustila. Její výška je 10 m a váží 8,5 t. Pohybuje se po dráze blízké k polární (prochází přes oba póly) ve střední výšce 800 km, za den oběhne Zemi čtrnáctkrát a nad stejným místem za stejných podmínek obíhá jednou za 35 dní. Její provoz je řízen Evropským centrem pro kosmický provoz v Darmstadtu.

Obr. 1) Snímek rakety Ariane-5. Stejný typ rakety vynesl do vesmíru i družici ENVISAT (zdroj ESA).

Spektrometr pro měření obsahu skleníkových plynů a znečištění v atmosféře.

Družice má na palubě deset přístrojů. Měří se teplota a její změny jak u mořské vody tak i atmosféry. Radarový výškoměr RA-2 měří výšku mořské hladiny a její změny s velmi vysokou přesností. Velmi důležité je měření vývoje ledovců v Grónsku a v Antarktidě. Velmi přesné obrazy povrchu Země i skrz oblačnou pokrývku pořizuje radarové zařízení ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar). To je velmi výhodné právě v oblasti ledovců, kde je častý výskyt oblačnosti. Zároveň přesná měření vzdáleností a výšek umožňují studium zemětřesení a dalších geologických aktivit. Velmi kvalitní fotografie v optické oblasti poskytuje spektrometr MERIS. Společně s radarovým zařízením umožňuje velmi kvalitní studium katastrofických jevů v atmosféře i v oceánu (cyklónů, hurikánů nebo vln tsunami). Data jsou poskytována téměř v reálném čase a jejich množství je zhruba 250 gigabytů denně.

Příprava spektrometru SCIAMACHY (zdroj ESA)

Pro nás nejzajímavější z těchto přístrojů je spektrometr SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography), který se věnuje zkoumání obsahu oxidu uhličitého a dalších stopových plynů v atmosféře Země. Má zkoumat změny zastoupení těchto plynů od nejnižších vrstev (troposféra – od povrchu zhruba po 8 až 18 km) až po ty vyšší (stratosféra a mezosféra). Jedná se o spektrometr s velmi širokým rozsahem od ultrafialové přes viditelnou až pro infračervenou oblast (pracuje v rozsahu od 240 nm do 1700 nm a ve vybraných oblastech zkoumá i vlnové délky mezi 2000 nm a 2400 nm). Vše s relativně velmi dobrým rozlišením (0,2 – 1,5 nm). Zkoumá odraz, absorpci a rozptyl slunečního světla v atmosféře. Sluneční záření, které neprocházelo atmosférou je porovnáváno se slunečním zářením, které prošlo různými vrstvami atmosféry. Přístroj je zaměřen na spektroskopii absorpční (obsah příměsí se určuje z pohlcování světla), která je daleko efektivnější než emisní (obsah příměsí se určuje z vyzařování světla) hlavně pro nejnižší vrstvy atmosféry. Určuje míru absorpce v oblastech čar, které odpovídají různým molekulám, a tím i množství těchto molekul v různých místech. Měření ve směru nadiru (ve směru kolmém na dráhu sondy a mířícím do středu Země), při kterém se sonda dívá přímo pod sebe, umožňuje určit obsah různých plynů v sloupci vzduchu pod sondou. Měření ve směru tečny k okraji Země (v režimu skenování profilu nad okrajem) umožňuje získávat výškový profil atmosféry. Kombinace obou režimů tak postupně umožňuje zjistit rozložení množství třeba právě i oxidu uhličitého s dobrou přesností jak v horizontálním tak i ve vertikálním (výškovém) směru.

Srovnání zkoumaných oblastí spektra pomocí spektrometru GOME na družici ERS-2 a spektrometru SCIAMACHY na družici Envisat. Bíle jsou vyznačeny vlnové délky, ve kterých absorbují a září jednotlivé komponenty v atmosféře. Je vidět, že vlnové délky, potřebné pro studium oxidu uhličitého pozoroval až Envisat. (Zdroj ESA )

Spektrometr SCIAMACHY se skládá ze soustavy zrcadel, dalekohledu a samotného spektrometru. Jedině soustava zrcadel je pohyblivá a umožňuje přivádět světlo do dalekohledu z různých směrů podle režimu, ve kterém spektrometr pracuje. Prvním režimem je práce v režimu zkoumání ve směru ke středu Země (nadiru). V tomto případě světlo od Země dopadá s pomocí parabolického zrcadla do dalekohledu. Typické prostorové rozlišení je 30 km na 60 km a šířka pokrývaného měřeného pásu je 960 km. Při pozorování ve směru okraje Země nebo slunečního a měsíčního zakrývání je záření odráženo pomocí azimutálního zrcadla a přes další zrcadla do dalekohledu. Vertikální (výškové) rozlišení je zhruba 3 km. V případě režimu kalibrace pomocí vnitřního kalibračního zdroje světla nebo přímého slunečního světla se využívané světlo dostává zase do teleskopu pomocí speciálních zrcadel. Typické střídání různých režimů měření na dráze probíhá tak, že nejdříve se začne s měřením ve směru přes okraj Země (skenuje se vertikální profil) slabě ozářené atmosféry, následuje měření vynořování Slunce při jeho východu nad severním pólem a pak už se pravidelně střídá skenování vertikální ve směru k okraji Země a skenování horizontální ve směru k nadiru. Všechny tato měření s výjimkou měření zakrývání Měsíce probíhají během každého obletu, tedy čtrnáctkrát denně.

Nahoře je geometrie měření při režimu měření ve směru nadiru. Dole je průběh střídání různých režimů práce spektrometru. Oběh na obrázku probíhá ve směru pohybu hodinových ručiček. Během obletu Země se střídá měření směrem k povrchu a ve směru nad okrajem. Při přechodu do oblasti dráhy, kde se Slunce dostává ze stínu Země se měří absorpce jeho světla. Ve stínu Země se provádí kalibrace pomocí vnitřního zdroje světla. (Zdroj upravený obrázek z PhD práce M. Buchwitze)

A tak byl v dubnu 2002 otevřen kryt, nastavena optická cesta pro měření směrem k okraji Země a byla získána první spektra atmosféry ve směru okraje a kalibrační sluneční. Skenování atmosféry nad okrajem probíhá od povrchu až po výšku okolo 150 km. Šířka měřeného pruhu je v obou používaných režimech zmíněných 960 km. To, že spektrometr SCIAMACHY může pozorovat stejný sloupec atmosféry postupně ve vertikálním i horizontálním směru, je snad jeho největší výhodou. Střídání různých režimů probíhá během sedmi minut. Celkové pokrytí oblastí na rovníku lze získat během šesti dní.

Příklad spekter měřených ve směru nadiru s vyznačením absorpčních čar jednotlivých důležitých plynů (zdroj PhD práce M. Buchwitze)

Některé výsledky měření

Už od počátku své aktivní činnosti získává družice řadu velice důležitých údajů o vývoji atmosférických podmínek a klimatu. Důležité je, že se současně pořizuje velice rozsáhlý soubor různorodých parametrů atmosféry, povrchu i biosféry. V případě měření zastoupení oxidu uhličitého je důležité, že dostáváme globální a zároveň relativně velice detailní přehled o množství tohoto plynu hlavně v troposféře. Ty pak můžeme srovnávat s výsledky pořízenými v jednotlivých pozemních stanicích a získáváme tak ucelený přehled o sezónních i dlouhodobějších změnách zasahujících jak jednotlivé oblasti, tak i celou Zeměkouli. Pokud se podíváme na shrnutí výsledků za pětileté období činnosti družice, vidíme velice pěkně vliv sezónních změn, které pozorujeme i na pozemních observatořích například i v Mauna Loa. Stejně tak družicová měření potvrzují průběžné zvyšování obsahu oxidu uhličitého pozorované na pozemních stanicích. Potvrzují, že měření na těchto stanicích odrážejí globální vývoj množství oxidu uhličitého.

Snímek Havajského souostroví pořízený sondou Envisat, napravo dole je největší ostrov se sopkami Mauna Kea s baterií největších astronomických dalekohledů a Mauna Loa s meteorologickou observatoří , které mají vrcholy ve výšce přes 4000 m nad mořem. (Zdroj ESA)

Jak už bylo uvedeno, zkoumá se pomocí spektrometru SCIAMACHY množství řady dalších plynů v troposféře. Jako příklad si uveďme měření oxidu dusičitého. Je vidět velice dobré rozlišení a zvýšené koncentrace oxidu dusičitého v průmyslových oblastech a velkých městech. Zkoumá se také oxid uhelnatý, který se objevuje v místech, kde jsou ohně (požáry). Dalším důležitým zkoumaným plynem je metan. Standardně se zkoumá ovšem ve vyšších vrstvách atmosféry i množství ozónu.

Srovnání zastoupení oxidu uhličitého v atmosféře měřené v Mauna Loa na Havaji, Mace Head v Irsku a na družici Envisat (v tomto případě jde o pozorování severní polokoule). (Zdroj Universita v Heidelbergu).

Jak dále v měření životního prostředí z oběžné dráhy?

Je vidět, že družice na oběžné dráze jsou velmi důležitým nástrojem pro zkoumání vývoje klimatu a životního prostředí. Abychom však mohli pochopit dlouhodobé trendy, potřebujeme také dlouhodobé série měření. Období aktivní činnosti družice Envisat bylo naplánováno na pět let. V současnosti byla její práce prodloužena do roku 2010 a slibuje ještě nějakou dobu úspěšného získávání dat. To se týká i spektrometru SCIAMACHY. Ovšem nevratná degradace přístroje neustále přibližuje jeho neodvratný konec. Zatímco ultrafialový kanál se zakaluje, infračervené kanály ztrácejí pixely alarmující rychlostí vlivem poškození kosmickým zářením. Dá se předpokládat, že v roce 2010 už bude pracovat jen 30 % pixelů. Družice MetOp, první z plánované trojice už byla vypuštěna, budou pokračovat v některých měření spektrometru SCIAMACHY pomocí přístrojů GOME-2 a IASI, které jsou na jejich palubě. Ty však nepokrývají všechny oblasti spektra, která umožňuje pozorovat SCIAMACHY. Navíc se v tomto případě jedná o operační meteorologické družice Podobně komplexní a odpovídajícím způsobem vylepšená evropská sonda zaměřená na zkoumání znečištění atmosféry a klimatické problémy jako je Envisat se bohužel nedá nejspíše očekávat před rokem 2018.

Rozložení střední hodnoty obsahu oxidu dusičitého (NO2) v troposféře, je ukázáno množství molekul ve sloupci vzduchu. (Zdroj Andreas Richter).

Taková sonda by měla umožnit každodenní měření daného místa a nejen několikadenní jejich periodu. Důležité je to hlavně pro studium aktivity fotochemických reakcí plynů v atmosféře důležitých z hlediska jejího znečištění. Tímto zařízením by se mohla stát plánovaná družice na geostacionární dráze s názvem GeoTROPE (the Geostationary Tropospheric Pollution Explorer), která by každou půlhodinu poskytovala synoptické mapy kvality atmosféry a klimatických charakteristik Evropy, Severní Afriky, Sibiře a části Atlantického oceánu. Geostacionární družice by měla vyřešit problém, který nastává u družic na nízkých polárních drahách. Jestliže u nich chceme získat velké pokrytí a prostorové rozlišení, ztrácíme rozlišení časové.

Meteorologická družice MetOp-A je první vypuštěná družice ze série tří evropských meteorologických družic. Na polární dráhu ji vynesla raketa Sojuz ST v říjnu 2006. (Zdroj ESA).

Hlavními úkoly družice GeoTROPE by bylo studium, analýza a hlavně kvantitativní ocenění vlivů civilizace na kvalitu ovzduší. Poslouží k identifikaci a dlouhodobému pozorování zdrojů různých plynů a chemických procesů, kterých se účastní, na lokální, regionální a kontinentální úrovni. Bude monitorovat rychlé a střednědobé změny v obsahu důležitých stopových plynů. Časová škála (hodiny, dny, roční období nebo léta) je totiž rozdílná a charakteristická pro různé procesy. Bude zkoumat troposféru s velmi dobrým horizontálním (20×20 km²) a vertikálním (2-3 km) rozlišením s pokrytím celých kontinentů. Ovšem, jestli se tato nebo podobná sonda do vesmíru vypraví, je zatím otevřenou otázkou.

Nákres možného vzhledu plánované družice GeoTROPE (zdroj Universita Bremy)

V mnohem pokročilejším stádiu je v úvahách i přípravě projekt sondy A-SCOPE (Advanced Space Carbon and climate Observation of Planet Earth), která je v šestici družic, ze kterých se budou v lednu roku 2009 vybírat tři, které se dostanou do užšího výběru pro budoucí realizaci organizací ESA. Jedná se opět o sondu na nízké oběžné dráze. Její zaměření bude právě na výzkum oxidu uhličitého a jeho cyklů v atmosféře, jeho produkce různými přírodními i civilizačními zdroji a pohlcování oceánem i biosférou. U této sondy se uvažuje o použití nové metody pro měření obsahu oxidu uhličitého. Využívalo by se k tomu laserů, které by vysílaly krátké pulsy na dvou různých ale blízkých vlnových délkách. Záření jedné vlnové délky je absorbováno oxidem uhličitým a záření s druhou vlnovou délkou není. Odraz těchto vyzářených pulsů se porovnává a z rozdílu mezi změnou intenzity záření pro jednu a druhou vlnovou délku se určí množství oxidu uhličitého ve sloupci atmosféry, kterou laserové pulsy procházejí. Testování a vývoj této metody v současnosti probíhá pomocí laserů umístěných na letadlech. Je třeba totiž zajistit potřebnou přesnost měření i pro odraz na různých typech povrchů a ocenit systematické chyby této metody.

Metodologické testování využití laseru pro určení množství oxidu uhličitého se provádělo pomocí letadel (Zdroj ESA)

Závěr

Pro poznání toho, jakým způsobem se vyvíjí zastoupení oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů v atmosféře Země a jakou souvislost mají s vývojem klimatu, je potřeba získávat dlouhodobá, co nejpřesnější a co nejkomplexnější data. To, zda se máme připravovat na budoucí globální oteplování či ochlazování a jaká je reálná situace ohledně vlivu člověka na atmosféru, nezjistíme z toho, na které straně barikády stojí přesvědčivější demagogové. Jedinou možností je co nejpečlivější měření a pozorování, jejich komplexní analýza a zpřesňování klimatických modelů na základě srovnání s nimi. Proto je klíčová vzájemná součinnost dlouhodobých pozemních a vesmírných měření. K tomu je potřeba široká a dlouhodobá mezinárodní spolupráce. A právě i zde je možno efektivně využít výhody evropské integrace. Česko se do takových akcí může nyní zapojit ještě rozsáhleji i díky tomu, že jsme se stali členem organizace ESA. Dnes ještě nelze říci, zda jsou stále klíčovým elementem změn klimatu přírodní procesy nebo už se na nich začíná podílet i lidská činnost. Z historických záznamů však víme, že se v minulosti klima i velmi drasticky měnilo. V Evropě probíhala jak značně teplejší tak i významně chladnější období. Efektivní spolupráce Evropy při měření a studiu změn parametrů, které mají na vývoj klimatu vliv, přípravě a ochraně krajiny a během vzájemné pomoci při řešení důsledků případných přírodních pohrom by mohla být pozitivním a důležitým výsledkem její integrace. Mohla by umožnit účinné předcházení případným následkům klimatických změn nebo jejich řešení.

Pozemní testy družice ENVISAT

---