Noční pohledy na Zemi přístrojem Day/Night Band družice Suomi-NPP

Transkript

1 MARTIN SETVÁK ČESKÝ HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV Noční pohledy na Zemi přístrojem Day/Night Band družice Suomi-NPP světla měst, polární záře, airglow ČMeS Praha, verze:

2 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Prototyp americké meteorologické polární družice nové generace, společný operativní program agentur NOAA a NASA (družice série JPSS)

3 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Prototyp americké meteorologické polární družice nové generace, společný operativní program agentur NOAA a NASA (družice série JPSS) Vandenberg Air Force Base, :48 UTC (Boeing Delta II )

4 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Prototyp americké meteorologické polární družice nové generace, společný operativní program agentur NOAA a NASA (družice série JPSS) polární hélio-synchronní kruhová dráha, výška ~ 825 km, přelety 01:30 a 13:30 místního času rozměry družice: 4.0 x 2.6 x 2.2 m, váha družice cca 2100 kg (včetně paliva) předpokládaná životnost družice: alespoň 5 let

5 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Geneze názvu družice, aneb trocha historie NPP = NPOESS Preparatory Project (původní význam zkratky) prototyp budoucích operativních družic NPOESS a jejich přístrojového vybavení NPOESS (National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System) původně plánovaný projekt společné družice NASA, NOAA a ministerstva obrany USA, zdůvodňovaný ekonomicky (nižší celkové náklady oproti samostatným družicím civilního a vojenského sektoru) Původně navrhovaný společný projekt NPOESS definitivně zrušen a zpětně rozdělen na civilní (JPSS) a vojenskou (DWSS) část v dubnu Podrobnosti např. zde DWSS (Defense Weather Satellite System) vojenský systém, provozovaný americkým DoD (Department of Defense); návaznost na starší družice DMSP. JPSS (Joint Polar Satellite System) civilní systém, provozovaný společně NOAA a NASA; návaznost na družice NOAA/POES a NASA/EOS (družice Terra a Aqua. Plánovaný start JPSS-1 v roce 2017, JPSS-2 v roce 2021 (přibližně ve stejné době jako nástup druhé generace polárních družic EUMETSATu, EPS-SG).

6 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Geneze názvu družice, aneb trocha historie NPP Suomi NPP Zrušení původně plánovaného projektu NPOESS a jeho náhrada projekty JPSS a DWSS ztráta a neopodstatněnost původního významu zkratky NPP (NPOESS Preparatory Project) Koncem ledna 2012 družice NPP přejmenován na "Suomi NPP" (zkráceně též S-NPP), na počest profesora Vernera Suomiho, podrobnosti např. zde, a zkratka, resp. význam NPP modifikován na Suomi National Polar-orbiting Partnership. Verner E. Suomi,

7 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Informace na Internetu, data a jejich vizualizace Data VIIRS (L1B, volně dostupná): NOAA CLASS nebo NASA GSFC LAADS Pokročilé zpracování a vizualizace dat: McIDAS-V (freeware), nebo ENVI/VCTK,

8 Družice Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Přístrojové vybavení družice Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) Cross-track Infrared Sounder (CrIS) Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS) Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES)

9 Přístroj VIIRS - Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Šířka snímaného pásu území: ~ 3000 km (± 56 od nadiru), ve všech 22 kanálech

10 Přístroj VIIRS první snímky ( )

11 Přístroj VIIRS první snímky ( )

12 Přístroj VIIRS ukázka vysokého rozlišení :06 UTC Suomi NPP, sendvič VIIRS kanálů I1 & I5 (BT K), Německo

13 Přístroj VIIRS kanál Day/Night Band (DNB)

14 Porovnání VIIRS/DNB s přístrojem DMSP/OLS Attribute DMSP/OLS* VIIRS/DNB on Suomi NPP* Orbit Sun-synchronous, ~850 km Sun-synchronous, 827 km Nighttime Nodal Overpass Time ~1930 UTC ~0130 UTC Swath Width 3000 km 3000 km Spectral Response (FWHM) Panchromatic nm Panchromatic nm Instantaneous Field of View 5 km (nadir) / ~7 km (edge) ± km (Scan) ± km (track) Spatial Resolution (Ground Sample Distance) 2.7 km; smooth data < km (Scan) < km (track) Minimum Detectable Signal W m -2 sr W m -2 sr -1 Noise Floor ~ W m -2 sr -1 ~ W m -2 sr -1 Radiometric Quantization 6 bit bit Accompanying Spectral Bands 1 11 (night) / 21 (day) Radiometric Calibration None On-Board Solar Diffuser Saturation In Urban Cores None DMSP = Defense Meteorological Satellite Program OLS = Operational Linescan System VIIRS = Visible/Infrared Imaging Radiometer Suite DNB = Day/Night Band

15 Day/Night Band (DNB) :00 UTC oblačnost bouří a terén nasvíceny Měsícem svítání na severovýchodě světla měst a jiných umělých zdrojů

16 Day/Night Band (DNB) :00 UTC bezměsíčná tmavá noc světla měst a jiných umělých zdrojů

17 Day/Night Band (DNB) :00 UTC bezměsíčná tmavá noc světla měst a jiných umělých zdrojů

18 zdrojem dat S-NPP VIIRS DNB 2010 zdrojem dat DMSP OLS nelze srovnávat, odlišné přístroje!!! Podrobněji k problematice světelného znečištění oblohy: a

19 Oblačnost a terén v kanálu DNB za svitu Měsíce Kdy? Podmínkou je dostatečné nasvícení Měsícem: - ideální kolem úplňku - postačující nasvícení mezi první až poslední čtvrtí Měsíc musí být v době přeletu NPP (kolem 02:00 02:30 ráno místního času pro mírné zeměpisné šířky severní polokoule) nad místním horizontem Moonrise/moonset calculator: - časové údaje v místním (pásmovém) civilním čase, včetně letního času Přelety družice S-NPP:

20 Day/Night Band :46 UTC, tajfun Noul (západní Pacifik, východně od Filipín) oblačnost tajfunu nasvícená Měsícem pět dní po úplňku

21 Day/Night Band :55 UTC, konvektivní bouře nad Libérií a Pobřežím Slonoviny oblačnost bouří nasvícená Měsícem pět dní po úplňku blesky (saturující senzor kanálu)

22 Day/Night Band :40 UTC, Saharský písek nad Středozemním mořem nasvíceno Měsícem tři dny před úplňkem

23 Tmavé noci bez svitu Měsíce Detekce oblačnosti, mlhy, sněhové pokrývky, mořského ledu nebo volně plovoucích ledových ker, aj. i za bezměsíčných nocí, zdrojem světla: svit hvězd (včetně Mléčné dráhy), zvířetníkové světlo, jasné planety rozptýlené světlo z umělého osvětlení (světelné znečištění oblohy) polární záře, airglow Naopak nad tmavým zemským povrchem (hladiny moří a oceánů, pouštní a polární oblasti, ) za bezměsíčných nocí možnost detekce: polárních září airglow (nightglow) NLC (???)

24 VIIRS DNB a kanál M15 (IR 10.7 µm), tajfun Dolphin Oblačnost tajfunu v DNB nasvícená hvězdami a airglow :15 UTC... a odpovídající kanál M15 (IR 10.7 µm)

25 VIIRS DNB (bezměsíčná noc), tajfun Dolphin :15 UTC Vlny v airglow Tyto vlny nad oblačností tajfunu lze pozorovat pouze v DNB kanálu, ne žádném jiném (viz další snímek v IR kanálu M15) jednoznačný důkaz, že se skutečně jedná o vlny v airglow.

26 VIIRS kanál M15 (IR 10.7 µm), tajfun Dolphin :15 UTC

27 Polární záře 17/18. března 2015 Polární záře (na dalších snímcích) této noci byly mimořádně jasné, doprovázely velmi silnou (G4) geomagnetickou bouři (St. Patrick s Day Storm). První snímek zobrazuje polární záři nad Skandinávií (za bezměsíčné noci), která navíc silně osvěcuje zasněžený terén v okolí. Pro porovnání následuje IR snímek (kanál M12) ze stejného termínu. Další série snímků zachycuje polární záře této noci o dva přelety družice později, v oblasti jižního Grónska a Islandu. Kromě samotné polární záře je na snímcích i oblačnost tryskového proudění (jet stream), indukující prohnuté vlny airglow přibližně nad jeho osou. Další snímky polárních září této noci z DNB kolem zeměkoule viz: The Aurora Seen Around The World (VIIRS Imagery and Visualization Team Blog, CIRA/RAMMB)

28 Day/Night Band :55 UTC

29 VIIRS kanál M12 (IR 3.7 µm) :55 UTC

30 :03 UTC, tatáž polární záře ze SV Čech (severně od Trutnova), foto Lukáš Ronge

31 Polární záře a AIRGLOW :20 UTC (o dva přelety později) 300 hpa + MSG WV6.2 zdroj: EUMeTrain eport MSG Airmass RGB

32 VIIRS kanál M15 (IR 10.7 µm) :20 UTC

33 VIIRS DNB :20 UTC

35 VIIRS DNB :20 UTC Polární záře je výrazně jasnější než jižnější oblačnost jet streamu, nasvícená pouze svitem hvězd a airglow, resp. než samotný airglow nad ní. Aby bylo možné zobrazit všechny tyto jevy současně, bez významnější ztráty informací ("přeexponování" částí snímku), je nutné zvolit pokročilejší metody zpracování snímků např. metodu HDR, viz další snímek.

36 VIIRS DNB HDR zpracování :20 UTC

37 VIIRS DNB HDR zpracování zvětšené Obloukovitě prohnuté vlny v airglow nad jet streamem (směřujícím k severu).

38 VIIRS kanál M15 (IR 10.7 µm) zvětšené... a nic odpovídajícího v místě výskytu vln v airglow potvrzení, že se skutečně jedná o vlny v airglow, a nikoliv v oblačnosti.

39 Podrobnější informace ke kanálu DNB Miller, Steven D., Cynthia L. Combs, Stanley Q. Kidder, Thomas F. Lee, 2012: Assessing Moonlight Availability for Nighttime Environmental Applications by Low-Light Visible Polar-Orbiting Satellite Sensors. J. Atmos. Oceanic Technol., 29, doi: Miller, S.D., Mills, S.P., Elvidge, C.D., Lindsey, D.T., Lee, T.F., Hawkins, J.D., 2012: Suomi satellite brings to light a unique frontier of nighttime environmental sensing capabilities. PNAS, vol. 109 no. 39, doi: /pnas (viz též doplňkové informace k tomuto článku) Miller, S.D., Straka, W. III, Mills, S.P., Elvidge, C.D., Lee, T.F., Solbrig, J., Walther, A., Heidinger, A.K., Weiss, S.C., 2013: Illuminating the Capabilities of the Suomi National Polar-Orbiting Partnership (NPP) Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Day/Night Band. Remote Sens. 2013, 5, doi: /rs Miller, S.D., Straka W. III., Yue J., Smith, S.M., Alexander, J., Hoffmann, L., Setvák, M., and Partain, P.T., 2015: Upper atmospheric gravity wave details revealed in nightglow satellite imagery. PNAS, doi: /pnas

40 Airglow základní informace Airglow přirozený svit oblohy (atmosféry), způsobený několika různými procesy (viz dále); v případě přirozeného svitu noční oblohy alternativně označovaný jako nightglow - noční airglow. V minulosti známý především astronomům coby jev komplikující noční astronomická pozorování vesmíru.

41 Ukázky vzhledu airglow /20, Petr Horálek ( observatoř La Silla, Chile) , Petr Horálek ( Ratoronga, Cookovy ostrovy)

42 Ukázky vzhledu airglow , Petr Horálek ( Orava, Slovensko)

43 Airglow NPP VIIRS DNB ( µm) Zdroj záření chemiluminiscence a vyzařování excitovaných atomů a molekul, vybuzených v denních hodinách UV zářením Slunce, případně kosmickým zářením; na rozdíl od polárních září globální výskyt. modrá molekulární kyslík, ~ 95 km zelená atomární kyslík, km žlutá sodík (meteorického původu), ~ 92 km červená atomární kyslík, km červená a blízké IR záření hydroxyl (OH), km Výrazně slabší než polární záře»»» lidské oko není schopno vnímat airglow barevně (na rozdíl od polárních září), struktura a barvy airglow vyniknou až na fotografii. Zdroj obrázku a další informace:

44 Airglow z oběžné dráhy Země ISS Zdroj: NASA Earth Observatory (původní snímky) a

45 Airglow z oběžné dráhy Země ISS Zdroj: NASA Earth Observatory

46 Koncentrické vlny v airglow nad konvektivními bouřemi , Tom A. Warner ( South Dakota, USA)

47 Koncentrické vlny v airglow nad konvektivními bouřemi Souvislost gravitačních vln v airglow s aktivitou konvektivních bouří prvně jednoznačně zdokumentována v článku: Taylor, M.J., and M.A. Hapgood, 1988: Identification of a thunderstorm as a source of short period gravity waves in the upper atmospheric nightglow emissions, Planet. Space Sci., roč. 36, s DOI: / (88)

48 Airglow zdroje vln a jiných nehomogenit v airglow Možné zdroje vln pozorovaných v airglow: aktivita konvektivních bouří (výrazné přestřelující vrcholy) jet stream, frontální rozhraní, orografické vlny, výrazný střih větru, přílivové/odlivové jevy, tsunami, vulkanické erupce rázové vlny slunečního větru (pouze vyšší zeměpisné šířky) ionosférické poruchy, HAARP, Vybuzení vln v airglow: gravitačními vlnami různé frekvence (vlnové délky) a původu poruchami elektromagnetického pole Země

49 Airglow jeho detekce družicí Suomi NPP v kanálu DNB a vazba na konvektivní bouře

50 Koncentrické vlny v airglow nad Texasem a Mexickým zálivem 4. dubna 2014 Vývoj bouří viz toto video. Další informace k tomuto případu na níže uvedených odkazech. Convectively-generated mesospheric airglow waves over Texas (CIMSS Satellite Blog) Severe Weather in the Mesosphere (VIIRS Imagery and Visualization Team Blog)

52 VIIRS kanál M :15 UTC

53 VIIRS kanál M15 BT K :15 UTC

54 VIIRS DNB a kanál M15 BT K :15 UTC

55 Koncentrické vlny nad Bangladéšem a jeho okolím 27. dubna :50 UTC Metop-2 AVHRR kanál 4 (IR 10.5 µm) Barevně zvýrazněný IR snímek družice Metop, nasnímaný téměř současně s fotografií rozvlněného airglow, kterou pořídil Jeff Dai (viz následující snímek) z Tibetské náhorní plošiny. Vývoj těchto bouří v IR kanálu viz animace snímků Meteosat-7 (zdroj: EUMETSAT Image Library, viz odkaz níže). Družice Suomi-NPP zachytila tyto vlny v airglow přibližně o 3.5 hodiny později, viz následující snímky. A Kalboishakhi storm swept across northern Bangladesh on the evening of 27 April 2014 (EUMETSAT Image Library) Rippled airglow above Bangladesh storms (EUMETSAT Image Library)

56 :57 UTC, Jeff Dai, Tibetská náhorní plošina,

58 VIIRS M :35 UTC

59 VIIRS M15 BT K :35 UTC

60 VIIRS noční mikrofyzikální RGB produkt (M12, M15 a M16) :35 UTC

61 Pseudo-koncentrické vlny nad východní Čínou a Taiwanem 19. dubna 2015 IR WV Snímky japonské družice MTSAT, /20 07:00-02:00 UTC: IR kanál WV kanál zdroj snímků MTSAT : JMA

65 VIIRS DNB a M15 BT K :00 UTC

66 Vlny v airglow: další zdroje vertikálních gravitačních vln geofyzikálního a troposférického původu

67 Erupce sopky Calbuco, Chile dubna 2015 zdroj: Marcelo Utreras GOES-13 IR, :38 UTC až :38 UTC. Zdroj: Dan Lindsey, NOAA/CIRA. Calbuco volcanic eruption in Chile (CIMSS Satellite Blog) Southern Chile s Calbuco volcano unexpectedly erupted for the first time in more than 40 years on 22 April, and then again early on 23 April 2015 (EUMETSAT Image Library) zdroj: imgur.com

71 VIIRS noční mikrofyzikální RGB produkt (M12, M15 a M16) :12 UTC

72 VIIRS DNB a M15 BT K :12 UTC

73 Vliv paralaxy na zdánlivou polohu jevů ve vyšších hladinách atmosféry Paralaxa (paralaxový posun) zdánlivý posun pozice různých jevů a oblačnosti, nacházejících se ve vyšších hladinách atmosféry, vzhledem k zemskému povrchu, vyplývající ze šikmého pohledu z družice. Parallax shift versus distance from the center of the image swath Paralaxa oblačnosti a airglow z družice S-NPP Hodnota paralaxy (svislá osa) jako funkce vzdálenosti od středu přeletu (vodorovná osa), spočtená pro hladiny 15 km (vysoká oblačnost) a 85 km (airglow), pro družici na oběžné dráze ve výšce 833 km. Zdroj: Michaela Radová, michaela.radova@chmi.cz

74 Vliv paralaxy na zdánlivou polohu jevů ve vyšších hladinách atmosféry Přelet 1 (#18058), 05:12 UTC Při tomto přeletu družice Suomi-NPP byla sopka Calbuco relativně blízko stopy přeletu (nadiru družice), proto je paralaxový posun středu koncentrických vln směrem na západ pouze malý. + poloha sopky Calbuco

75 Vliv paralaxy na zdánlivou polohu jevů ve vyšších hladinách atmosféry 250 km Přelet 2 (#18059), 06:53 UTC Při tomto následném přeletu družice Suomi-NPP byla oblast sopky Calbuco na samém východním okraji snímaného pásu území, proto i paralaxový posun je zde značný střed koncentrických vln v airglow je posunut přibližně 250 km na východ (zcela v souladu s vypočítanými hodnotami). + poloha sopky Calbuco

76 Tajfun Dolphin, května 2015 IR WV Snímky japonské družice MTSAT :00 UTC :00 UTC: IR kanál WV kanál zdroj snímků MTSAT: JMA

77 VIIRS DNB a kanál M :55 UTC DNB vlny v airglow a odpovídající snímek v kanálu M15 (IR 10.7 µm)

78 Airglow možnosti detekce vln v DNB Podmínky pozorovatelnosti vln airglow v DNB kanálu: pouze bezměsíčné noci (přibližně od třetí čtvrti, přes nov, do první čtvrti) menší zeměpisné šířky (tropy až mírné zeměpisné šířky) v polárních pásmech pouze v zimním období a mimo oblasti výskytu polárních září ideálně proti tmavému podkladu moře, oceány, pouště (absence umělých zdrojů světla) snazší za bezoblačných situací (jasná obloha) pro oblast Evropy a jejího bližšího okolí především Středozemní moře, přilehlý Atlantik, případně severní Afrika, zejména Sahara.

79 Jet stream, Atlantik a severozápadní Afrika 18. duben 2015 Meteosat-10, Airmass RGB produkt (zdroj: EUMETSAT a ČHMÚ) :00 UTC :00 UTC image loop

81 VIIRS M :05 UTC

82 Ne všechny vlny v airglow pozorované v DNB snímcích lze jednoduše přiřadit jejich "zdroji" řada dalších procesů, které je mohou vyvolat.

83 Vlny v airglow nejasného původu, Černé moře 16. března 2015 Meteosat-10 Airmass RGB produkt, viz animace 300 hpa + MSG WV6.2 zdroj: EUMeTrain eport

85 VIIRS M :40 UTC

86 Vlny v airglow nad Středozemním mořem 27. prosince 2014 Meteosat-10 Airmass RGB produkt, viz animace Airmass RGB a/nebo animace Night Microphysical RGB. 300 hpa + MSG WV6.2 zdroj: EUMeTrain eport

88 VIIRS DNB silně zvýrazněno :20 UTC

90 VIIRS noční mikrofyzikální RGB produkt (M12, M15 and M16) :20 UTC

91 Vlny v airglow závěrečné shrnutí a význam: Umožněno až pokrokem ve snímací technice jak v senzorech digitálních fotoaparátů, tak z oběžné dráhy přístrojem VIIRS. Současná pozorování různých meteorologických jevů probíhajících v troposféře nebo oceánech a jimi generovaných vln v airglow umožňuje lepší pochopení fyzikálních interakcí a výměny energie mezi troposférou (nebo hydrosférou) a mezosférou. Významné např. pro modelování počasí a klimatu. Nedostupnost podobného přístroje na geostacionární dráze (alespoň v současnosti) pro výzkum dynamiky podobných vln v airglow nutné využívat pozemní pozorovací sítě (např. kamery projektu ARISE). Mezinárodní spolupráce pozorování mezosféry/mezopauzy je koordinováno aktivitou Network for the Detection of Mesospheric Change (NDMC) Bednář J., Setvák M., 2015: Přirozený svit noční oblohy a vlnové děje v atmosféře. Meteor. zprávy, 68, ISSN

92 Vlny v airglow: další příklady

93

94 Vlny v airglow generované konvektivními bouřemi :14 UTC Mohutné vlny v airglow generované bouřemi v jižní oblastí Sahary

95 :14 UTC

96 Vlny v airglow generované konvektivními bouřemi :14 UTC Zdroj vln bouře nad jižní oblasti Sahary (jižní Niger, SZ Nigérie)

99

100 Vlny v airglow generované konvektivními bouřemi :15 UTC DNB M15 BT ( K) Komplex vln v airglow generovaných konvektivními bouřemi v jihozápadní částí Sahary

101 Vlny v airglow generované konvektivními bouřemi :15 UTC DNB M15 BT ( K) and "Night-MF" RGB Komplex vln v airglow generovaných konvektivními bouřemi v jihozápadní částí Sahary

102 Vlny v airglow generované konvektivními bouřemi :15 UTC DNB (detail)

103