Fagstoff

Instrumenter for jordobservasjon

Publisert: 07.10.2010, Oppdatert: 18.07.2012
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut
Jordobservasjon

En satellitt i en bane rundt jorda er en perfekt plattform for observasjon av jordkloden. Avstanden er riktig nok stor, mer enn 250 km for at friksjonen fra atmosfæren ikke skal ha noen vesentlig innflytelse på satellitten. Til gjengjeld er oversikten god, spesielt mulighetene for å se store områder i sammenheng, uavhengig av nasjonale grenser. Dette gjør det også mulig å betrakte jordkloden som ett system, blant annet for å observere varmefordelingen over kloden som en helhet.


I denne sammenheng skal vi se på de forskjellige instrumentene som kan brukes på satellitter, med hovedvekt på muligheter og tekniske begrensninger.

Avbildning, fundamentale begrensninger

For avbildning med elektromagnetiske bølger, lys eller radiobølger, gjelder det noen fundamentale begrensninger. Oppløsningen, evnen til å se små detaljer, er bestemt av

  • bølgelengden for de elektromagnetiske bølgene,
  • avstanden mellom satellitten og målet og
  • størrelsen eller åpningen av den aperturen som benyttes, som kan være linsediameter for optisk avbildning og antennediameter ved klassisk radaravbildning.
Vinkeloppløsnimg med sirkulær aperturrAperture
Opphavsmann: Gunnar Stette
Vinkeloppløsning med sirkulær apertur Gunnar Stette
For at vi skal være i stand til å skjelne mellom to punktkilder med en aperturdiameter A og bølgelengde λ, må vinkelavstanden mellom dem minst være
\[Vinkeloppløsning = \frac{{1,22A}}{\lambda }Rad\]

Vi kan da sammenligne den oppløsning vi kan få med optisk avbildning, typisk bølgelengde 0,5 um, med oppløsningen for en radar med bølgelengde 3 cm. Linsediameter for et kamera kan være 10 cm og diameter for en radarantenne 3 m. Når avstanden mellom satellitten og målet er 1000 km får vi følgende minsteavstander:
Optisk

\[ A = H \cdot \frac{{1,22 \cdot \lambda }}{D} = 1000000 \cdot \frac{{1,22 \cdot 0,5 \cdot 10^{ - 6} }}{{0,1}} = 6{{ meter}} \]

Radar
\[ A = H \cdot \frac{{1,22 \cdot \lambda }}{D} = 1000000 \cdot \frac{{1,22 \cdot 0,03}}{3} = 12200{{ meter}} \]

 

Ut fra dette ser det ut til at optisk avbildning er overlegen, men optisk avbildning er begrenset til klar sikt, og lyset kan ikke trenge gjennom skyer og nedbør. Radar, derimot, kan operere under forskjellige værforhold, dag og natt, forutsatt at den kan operere ved gunstige bølgelengeområder, ved frekvenser lavere enn ca. 10 GHz.

Vinduer i atmosfæren

Vi kan lett få det inntrykk at atmosfæren er gjennomsiktig ved alle bølgelengder, men det er ikke riktig. Vi har et "vindu" for frekvenser under ca 10 GHz, tilsvarende 3 cm bølgelengde, og så har vi et vindu rundt bølgelengden for synlig lys, ca 0,5 μm. For store frekvensområder er atmosfæren ugjennomtrengelig for elektromagnetiske bølger, med signalsvekking på opptil 100 dB.

Vinduer i atmosfærenVinduer
Opphavsmann: ESA

Spektrale vinduer i atmosfæren ESA

Vi har dermed to viktige vinduer i frekvensspektret, for radiobølger som benyttes av radar, og for lys som brukes for optisk registrering.

Syntetisk aperturradar

En radar opererer uavhengig av lysforhold og værforhold. Ulempen er den store bølgelengden i forhold til antennestørrelsen, da dette gir dårlig vinkeloppløsning, som er viktig i mange sammenhenger.

Det er mulig å forbedre oppløsningen for radar. Ved å la radaren se i sideretning kan vinkeloppløsning erstattes av oppløsning i tidsforsinkelse. Refleksene fra de to målene A og B vil være tidsforskjøvet, og hvis båndbredden er stor nok, kan disse målene skilles, som tabellen viser.

Sidesøkende radarSidesøkende radar
Opphavsmann: Gunnar Stette

For å oppnå god oppløsning langs banen benyttes en annen metode. Refleksene fra målene registreres og settes sammen "som om satellitten var på alle stedene til samme tid". Dermed blir tilsynelatende aperturen veldig stor, men det krever meget komplisert signalbehandling.

Syntetisk aperturSyntetisk aperture
Opphavsmann: Gunnar Stette

Syntetisk apertur Gunnar Stette

Dagens jordobservasjonssatellitter er utstyrt med forskjellige former for syntetisk aperturradar, SAR, og de gir forbløffende gode bilder. Det er også mulig å lage stereobilder, slik at jordoverflata kan avbildes i 3-dimensjonal form.

Interferometrisk bilde av jordskjelvInterferometrisk bilde av forandring etter jordskjelv
Opphavsmann: ESA

Det er også benyttet SAR til å registrere forandringer av jordoverflata ved hjelp av interferometri. Bildet viser et slikt bilde av deler av Tyrkia, før og etter jordskjelvet i 1999, og avstanden mellom hvert "regnbuespektrum" tilsvarer en forskyvning på 2,5 cm, bestemt av en bølgelengde på 5 cm.

Multispektrale scannere

Ved siden av avbildning er det aktuelt å foreta avbildning for å bestemme egenskapene for det målet som undersøkes. En registrering av spektret for signaler fra for eksempel en skog, kan gi verdifull informasjon om tilstanden for vegetasjonen. I dette tilfelle foretas en avsøkning ved forskjellige bølgelengder, og balansen mellom de forskjellige fargene gir indikasjon på helsetilstanden.

Værsatellitter

Et av de første områdene hvor folk flest kom i kontakt med romteknologi var værmeldingene med bilder fra værsatellitter på TV. Disse satellittene tar bilder av skyformasjoner, og ved å foreta målinger ved forskjellige bølgelengder er det mulig å avlede mer detaljert informasjon om værforholdene.

De første værsatellittene var rotasjonsstabiliserte med 100 omdreininger per minutt, og for hver omdreining registrerte de intensiteten langs en billedlinje over jordkloden. Ved hver omdreining ble instrumentet flyttet litt i høyde slik at en ny linje ble registrert. Resultatet ble et bilde med 512 linjer, tatt over en periode på 1/2 time. Senere er det kommet værsatellitter som har mer avansert registreringsutstyr.

bilde av en Meteosat satellittMeteosat satellitt
Opphavsmann: ESA

 

Værsatellitten meteosatMeteosat
Opphavsmann: ESA

Andre instrumenter


Ved siden av de instrumentene som er nevnt her kan jordobservasjonssatellitter være utstyrt med flere andre typer instrumenter til

  • måling av temperatur, spesielt i havet

  • måling av vind og bølger

  • måling av havnivå for bestemmelse av havstrømmer

  • måling av sammensetning av atmosfæren

  • måling av utstråling av radiobølger, radiometri, blant annet for bestemmelse av iskant og snøtykkelse

  • etc. etc.

 

Oppgaver