Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;
ESA/AOES MEDIALAB

Εμπνευσμένη από τον θεό των ανέμων, η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA), κατασκεύασε τον πρώτο δορυφόρο για την χαρτογράφηση των ανέμων μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα.

Κατά την αρχαιότητα, ο Αίολος ήταν ο πιο αγαπητός -ή τουλάχιστον ο πιο χρήσιμος - από όλες τις θεότητες του ελληνικού πανθέου, διότι, ως θεός του ανέμου και του καιρού, καθόριζε τις τύχες πολλών ανθρώπων ανάλογα με το αν ο άνεμος ήταν ούριος (Ζέφυρος στην Ομηρική Οδύσσεια) ή όχι. Ο Αίολος, ως ο διορισμένος από τον Δία ταμίας των ανέμων,τους κρατούσε μέσα στον ασκό του και τους άφηνε μετά από εντολή του Δία.

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;

Στις μέρες μας, εμπνευσμένη από τον Αίολο, η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA), κατασκεύασε τον πρώτο δορυφόρο για την χαρτογράφηση των ανέμων μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα. Θυμίζουμε ότι η ESA τρέχει παράλληλα και το πρόγραμμα Jason-3. Πριν από λίγες ημέρες συμπληρώθηκε ένας χρόνος από  την εκτόξευση του δορυφόρου Aeolus στις 22 Αυγούστου 2018.

Ο Aeolus, προς τιμή του Θεού των Ανέμων, είναι η αποστολή που έχει σχεδιαστεί για την εξερεύνηση του πλανήτη Γη, στο πλαίσιο του προγράμματος Living Planet. Προορίζεται να έχει διάρκεια ζωής τουλάχιστον τριών ετών, με προϋπολογισμό περί τα 480 εκατομμύρια ευρώ. Πρόκειται για τον πέμπτο προγραμματισμένο δορυφόρο του προγράμματος Living Planet. Ο στόχος της αποστολής είναι να παρέχει σε παγκόσμιο επίπεδο προφίλ παρατηρήσεων ανέμων υψηλής ποιότητας από την επιφάνεια της Γης μέχρι την χαμηλότερη στρατόσφαιρα (περίπου μέχρι τα 30Km), χρησιμοποιώντας ένα ‘διαστημικό’ Doppler Wind Lidar (DWL) (γνωστό ως ALADIN) σε μια σχεδόν πολική, ηλιοσύγχρονη  τροχιά σε ύψος περίπου 320 km.

Ο δορυφόρος Aeolus θα μπορεί να μετρήσει τον οριζόντιο άνεμο, κάθετο προς την τροχιά του, στοχεύοντας την ατμόσφαιρα  με ένα υπεριώδες (UV) laser, το οποίο ονομάζεται ALADIN, μετρώντας την μετατόπιση της συχνότητας (Doppler-shift) του οπισθοσκεδαζόμενου φωτός εξαιτίας των ατμοσφαιρικών μορίων (καθαρός αέρας) και των σωματίδιων (σύννεφα / αερολύματα) που υπάρχουν μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα και βρίσκονται σε κίνηση.

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;
Τhe image shows winds measured by Aeolus over western Europe on 10 March 2019. Red indicates wind blowing from east to west (easterlies) and blue indicates wind blowing from west to east (westerlies). The strong westerly wind in the jet stream, with speeds of more than 200 km per hour, is clearly visible at the altitude of around 10 km. On this day, very strong winds extended from the jet stream all the way down to the surface and caused problems for traffic and construction, for example. Black areas indicate where the satellite could not measure winds owing to thick cloud layers. ECMWF–M. RENNIE -T

Πώς λειτουργεί  το όργανο Laser του Δορυφόρου

Αναλυτικότερα, το laser όργανο που βρίσκεται στο δορυφόρο Aelous, εκπέμπει παλμούς laser προς την ατμόσφαιρα, δέσμες με δισεκατομμύρια φωτόνια στο υπεριώδες (UV) φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην συνεχεία, μερικά εκατοντάδες από αυτά τα φωτόνια, αφού σκεδαστούν πίσω αλληλεπιδρώντας με τα μόρια του αέρα και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας, παρατηρούνται από το 1.5m τηλεσκόπιο που διαθέτει ο δορυφόρος . Ο δορυφόρος Aeolus, όχι μόνο μπορεί να μετρήσει την απόσταση της ανάκλασης μετρώντας το ύψος των ανέμων αλλά μπορεί να μετρήσει και μικροαλλαγές στο μήκος κύματος των φωτονίων που προκύπτουν από την κίνηση των μορίων του αέρα.

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;

Έτσι, μέσω της μέτρησης της προκύπτουσας μετατόπισης Doppler του σήματος επιστροφής, που εκπέμπεται σε διάφορα ύψη στην γήινη ατμόσφαιρα (backscattered light), γίνεται δυνατή η εκτίμηση για τον άνεμο, καθώς αυτή η μετατόπιση της συχνότητας προκύπτει από τη σχετική κίνηση των μορίων – σωματιδίων (σκέδαστες) κατά μήκος της οπτικής γραμμής του αισθητήρα. Με δεδομένο ότι αυτή η κίνηση σχετίζεται με τον μέσο άνεμο στον παρατηρούμενο όγκο, γίνεται δυνατή η μέτρηση του ανέμου καθ’ ύψος.

Αξίζει να σημειωθεί πως η τεχνική αυτή δεν είναι νέα για την επιστημονική κοινότητα. Είναι η ίδια με αυτή που χρησιμοποιούν αρκετά χρόνια τώρα τα Doppler Radar καιρού για την μέτρηση των ανέμων, σαν αυτά που διαθέτει και η ΕΜΥ στην χώρα μας (τα οποία βέβαια λειτουργούν σε τελείως διαφορετικές συχνότητες). Αυτό όμως που αποτελεί καινοτομία στον Aeolus είναι ότι διαθέτει μια ιδιαίτερα ισχυρή οπτική πηγή laser ικανή να διανύσει τόσο μεγάλες αποστάσεις, αν αναλογιστεί κανείς ότι τα επίγεια συστήματα lidar που σήμερα διαθέτουμε έχουν μια εμβέλεια η οποία δεν ξεπερνά τα 10Km.

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;
Simple vertical wind field patterns OPPLER RADAR

Επιπλέον, μετρήσεις για τους άνεμους καθ’ ύψος στην γήινη ατμόσφαιρα και σήμερα γίνονται από τους ήδη υπάρχοντες μετεωρολογικούς και όχι μόνο δορυφόρους, κάνοντας χρήση διαφόρων τεχνικών  . Αυτό όμως που πραγματικά αποτελεί καινοτομία του δορυφόρου Aeolus είναι ο όγκος της μέτρησης, δηλαδή η διακριτική του ικανότητα, η οποία προσδιορίζεται στο οριζόντιο επίπεδο στα 50Κm (μέγεθος δείγματος), ενώ στο κατακόρυφο εξαρτάται από το πλάτος της δέσμης laser. Παράλληλα, οι μετρήσεις μπορούν να επαναλαμβάνονται σε διαστήματα των 200Κm.

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;
Ο Δορυφόρος Aeolus μπορεί να μετρήσει τους ανέμους καθ’ ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα μέχρι περίπου το ύψος των 30Km ESA/ECMWF

Μοναδικός περιορισμός των παρατηρήσεων του δορυφόρου Aeolus είναι ότι παρέχουν πληροφορίες για τον άνεμο κάνοντας χρήση μόνο του συστατικού του αέριου φορέα (δηλαδή του σκεδαστή) κατά μήκος της οπτικής δέσμης. Έτσι, για τον προσδιορισμό του διανύσματος του ανέμου χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές αφομοίωσης των δεδομένων, οι οποίες με την σειρά τους παρουσιάζουν και αυτές μια μεταβλητότητα. Παράλληλα, δεδομένου ότι το όργανο ALADIN είναι ένα Υψηλής Φασματικής Ανάλυσης Lidar, είναι δυνατό να αντληθούν πληροφορίες χρήσιμες για τη μοντελοποίηση της ατμοσφαιρικής σύνθεσης. Ο δορυφόρος Aeolus θα παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις οπτικές ιδιότητες των νεφών και των αερολυμάτων της ατμόσφαιρας.

Σήμερα, ο Aeolus θεωρείται ως μια προ-επιχειρησιακή αποστολή, αναδεικνύοντας νέες τεχνολογίες στον τομέα των laser και ανοίγοντας το δρόμο για μελλοντικούς μετεωρολογικούς δορυφόρους για τη μέτρηση των ατμοσφαιρικών ανέμων.

Aeolus για καλύτερες προβλέψεις

Η αποστολή Aeolus αναμένεται να βελτιώσει τις καιρικές προβλέψεις παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για τους ανέμους καθ’ ύψος στην γήινη ατμόσφαιρα σε παγκόσμια κλίμακα. Σήμερα, η μετεωρολογία για την απόκτηση αυτής της πληροφορίας βασίζεται πρωτίστως στα γνωστά σε όλους μας μετεωρολογικά μπαλόνια (ραδιοβολίσεις) και δευτερευόντως σε μετρήσεις από αεροπλάνα. Με δεδομένο ότι το μεγαλύτερο κομμάτι του πλανήτη μας καλύπτεται από ωκεανούς, γίνεται σαφές πως όσο πυκνό και εάν είναι το δίκτυο των σταθμών ανώτερης ατμόσφαιρας (ραδιοβολίσεων) ποτέ δε θα είναι επαρκή για την κάλυψη του συνόλου της γήινης ατμόσφαιρας. Επί του παρόντος, οι πληροφορίες για τον άνεμο σε απομακρυσμένες περιοχές, πάνω από τους ωκεανούς, στους τροπικούς και στο νότιο ημισφαίριο είναι σε μεγάλο βαθμό έμμεσες.
Ως εκ τούτου, αναμένεται ότι η αύξηση των πληροφοριών για το προφίλ του ανέμου καθ’ ύψος, να αποτελέσει πολύτιμη προσθήκη στο παγκόσμιο σύστημα παρατήρησης, κενό που είχε ήδη από το 2012 επισημανθεί από ομάδα εμπειρογνωμόνων του WMO, καθώς το παγκόσμιο σύστημα παρατήρησης στερείται σημαντικά από άμεσα παρατηρούμενες πληροφορίες για τον άνεμο (Andersson & Sato, 2012 WMO).

Αίολος: Από θεός των ανέμων και του καιρού… θεός της πρόγνωσης;
Top row: Model-derived inputs (taken as “truth”) for the Aeolus simulation. Top-left: horizontal line-of-sight (HLOS) wind field. Top-right: optical properties (i.e. where the clouds are). Bottom-left: simulated L2B wind product. Using ECMWF model fields as input to the Aeolus end-to-end simulator to generate realistic raw data. The raw data is then put through the actual Aeolus Ground Segment processing chain to produce the L2B product. Bottom-right: what the current operational observing system provided in terms of direct wind observations.

Εάν οι παρατηρήσεις του δορυφόρου Aeolus παρουσιάσουν ικανοποιητική ποιότητα, αναμένεται να έχουν σημαντική θετική επίδραση στον χώρο των αριθμητικών μοντέλων καιρού. Στο κομμάτι αυτό σημαντικός αναμένεται να είναι ο ρόλος του Ευρωπαϊκού κέντρου μεσοπρόθεσμων προγνώσεων (ECMWF), το οποίο έχει την ευθύνη για την παραγωγή προϊόντων ανέμου από τον δορυφόρο Aeolus, τα οποία με την σειρά τους θα είναι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν στην αριθμητική πρόγνωση.

 

Επιστημονικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια με πραγματικά δεδομένα ανέμου, έχουν δείξει ότι οι πληροφορίες για την αιολική ενέργεια είναι πιο σημαντικές από τις πληροφορίες για την κατανομή της αέριας μάζας, για τον προσδιορισμό της ατμοσφαιρικής κατάστασης, κυρίως στις τροπικές περιοχές. Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η σημαντικότητα των κατανομής των ανέμων καθ’ ύψος αρκεί να σημειώσουμε πως οι σημαντικότερες αποτυχίες του ECMWF στην πρόγνωση του καιρού για την περιοχή της Ευρώπης, οφείλονται στην αβεβαιότητα προσδιορισμού της πραγματικής θέσης του αεροχειμάρρου (λόγω έλλειψης παρατηρήσεων για τον άνεμο στην ατμόσφαιρα) στην περιοχή του Ατλαντικού Ωκεανού.  Έτσι, ο δορυφόρος Aeolus θα συντελέσει σε μια βαθμιαία αλλαγή στην ποιότητα των προβλέψεων για τον καιρό σε παγκόσμια κλίμακα. Για την περιοχή των τροπικών η βελτίωση της πρόγνωσης αναμένεται να είναι ιδιαίτερα σημαντική, ενώ για τις περιοχές των μεσαίων και υψηλών πλατών κατά μερικές ποσοστιαίες μονάδες. Όσο μικρό και αν ακούγεται για τα μέσα πλάτη το ποσοστό αυτό, αξίζει να σημειωθεί ότι μια αύξηση της ακριβείας της πρόγνωσης του καιρού κατά 2% αντιστοιχεί με μερικά δισεκατομμύρια δολάρια κέρδος για την κοινωνία. Οι νέες πληροφορίες που αναμένεται να παρέχει σχετικά με τον άνεμο, εκτιμάται ότι θα οδηγήσουν κατά πολύ στην βελτίωση της εικόνας για τον πραγματικό καιρό και της ανάλυσης της παρούσας κατάστασης της ατμόσφαιρας κυρίως στις τροπικές περιοχές, βελτιώνοντας τα αριθμητικά μοντέλα καιρού που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή προβλέψεων.
Παράλληλα, ο δορυφόρος Aeolus εκτός από άμεσα, αναμένεται να συμβάλει και έμμεσα στη βελτίωση των προβλέψεων, ενεργώντας ως πρότυπο ελέγχου ποιότητας για άλλες πηγές δεδομένων τηλεπισκόπησης. Διαβάστε πρόσφατα αποτελέσματα απο τεστ στο ECMWF

Αξίζει να τονιστεί ότι η αποστολή Aeolus είχε ξεκινήσει από το 1999 έχοντας υποστεί μεγάλες καθυστερήσεις εξαιτίας των προβλημάτων που προέκυπταν και έπρεπε να αντιμετωπιστούν σχετικά με την υπερσύγχρονη τεχνολογία laser στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας UV.
Ο αναμενόμενος χρόνος ζωής του δορυφόρου Aeolus εκτιμάται ότι θα είναι από τρία έως τέσσερα χρόνια. Μπορεί ο χρόνος αυτός να φαντάζει σχετικά μικρός, αλλά όμως είναι μια αποστολή που έχει ως κύριο σκοπό να αναδείξει – αποδείξει τον αντίκτυπο του ‘διαστημικού’ Doppler Wind Lidar. Εάν το ECMWF και ενδεχομένως άλλα κέντρα αριθμητικής πρόγνωσης μπορέσουν να αναδείξουν θετικό αντίκτυπο από τη χρήση των δεδομένων του Aeolus, τότε αυτή η αποστολή θα θεωρηθεί επιτυχής και θα ανοίξει το δρόμο για μια επιχειρησιακή αποστολή με συνέχεια στον χρόνο, καθώς το κενό προφίλ αιολικής ενέργειας στο σύστημα παρατήρησης είναι μάλλον απίθανο να συμπληρωθεί από άλλους τύπους δεδομένων. 

Δεν χρειάζεται να επεκταθώ και να αναλύσω το προφανές το οικονομικό όφελος από την εκμετάλλευση αυτών των δεδομένων. Η συνέχεια ανήκει στους οικονομικούς αναλυτές...

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ: Καιρός
SHARE: