Jordobservationer från rymden spelar i dag en mycket viktig roll för att SMHI kan producera så bra prognoser och beslutsunderlag som möjligt till det svenska samhället. Antalet satelliter i omlopp kring jorden ökar ständigt och de data som de förser oss med kan användas inom alla SMHIs uppdragsområden – meteorologi, hydrologi, oceanografi och klimatologi.
Sensorer mäter elektromagnetisk strålning
Ombord på satelliterna finns ett eller flera instrument (sensorer). Dessa instrument mäter den elektromagnetiska strålning som passerat genom atmosfären och når satelliten.
Elektromagnetisk strålning kan skickas aktivt från satelliten mot jorden och atmosfären. Satelliten mäter den strålning som studsar tillbaka. Satelliter kan också passivt mäta den värme- och solstrålning som lämnar eller reflekteras ut från jorden och atmosfären.
Bearbetade satellitdata ger information om bland annat moln, fuktighet och temperatur i atmosfären, havsisens utbredning, tjocklek och karaktär, sjö- och havstemperaturer, och snö på och fuktighet i marken. Satellitdata kan också ge information om vindar över hav och i atmosfären.
Bildinstrument ser ner till marken
Många av de vädersatelliter som SMHI använder har bildinstrument som mäter strålning i olika delar av den visuella och infraröda delen av det elektromagnetiska spektrat och huvudsakligen i frekvensband där den molnfria atmosfären är relativt genomskinlig. Det betyder att de kan se ända ner till marken där inte moln är i vägen och samtidigt ge information om moln, t.ex. molntoppens höjd. Genom att kombinera eller jämföra mätningar i olika frekvensband (kanaler) kan man få värdefull information om hur vädret är just nu.
Där molnen inte är i vägen beror strålningen främst på vad som kommer från marken och varierar då med till exempel temperaturen samt andra parametrar som vegetation, snö eller is och alger vid havsytan. Därmed kan man exempelvis se snötäckt mark och få reda på vattenytans temperatur i haven.
De olika kanalerna i SMHIs satellitbilder
Visuella kanaler
Visuella kanaler (VIS) registrerar kortvågig strålning, alltså huvudsakligen det solljus som jorden och atmosfären (t.ex. molnen) reflekterar tillbaka till satelliten. Ofta används begreppet VIS för våglängder mellan 400 och omkring 800 till 900 nanometer, även om det mänskliga ögat inte kan registrera strålning med våglängder över ungefär 700 nanometer.
Det går att presentera en enskild kanal som en svartvit bild och att göra en kombination av exempelvis tre olika kanaler för att få en så kallad RGB-bild (röd-grön-blå). Genom att kombinera flera visuella kanaler mellan 400 och 700 nanometer går det att få fram en bild som motsvarar det man skulle se om man tog ett vanligt foto från rymden. En sådan bild är alltså bara möjlig att få under den ljusa tiden av dygnet och endast om satellitens instrument har tillräckligt med kanaler i den synliga delen av spektrat. Även skillnader mellan två kanaler ger värdefull, men något mer svårtolkad, information.
Alla satelliter har inte instrument med tillräckligt många visuella kanaler för att skapa dessa ”foton från rymden”. Flera av satelliterna som SMHI använder har endast ett par kanaler i den visuella delen av spektrat och därför kan vi inte alltid göra bilder med ett lika intuitivt utseende som True color-bilder.
Istället gör vi en typ av bild som kan skapas från alla de satelliter som SMHI använder med bildinstrument och kanaler i både den visuella och den infraröda delen av spektrat.
Infraröda kanaler
De infraröda kanalerna (IR) mäter långvågig (värme)strålning från marken, atmosfären och molnen. En IR-bild är möjlig att få dygnet runt eftersom den är oberoende av dagsljus.
Den värmestrålning som skickas från ett tjockt moln är i regel helt beroende av molnets temperatur. Om man vet vilken temperatur som ovansidan på molnen har, kan man i regel också bestämma på vilken höjd molnen finns. Principen är här att ju kallare, desto högre upp i atmosfären.
Att bestämma höjden på moln i allmänhet är dock svårt eftersom moln ofta har varierande och begränsat tjocklek och strålningen som satelliten uppmäter är en kombination av strålning från molnet och från marken (eller andra lägre moln) under molnet i fråga. Det gäller särskilt för tunna moln.
Mikrovågskanaler och andra instrument
Förutom data från spektrala kanaler, där den molnfria atmosfären är relativt genomskinlig, används också kanaler där strålningen från marken absorberas i till exempel vattenånga och syre i atmosfären. Det ger exempelvis information om hur fuktighet och temperatur i atmosfären varierar med höjden.
Här ser vi två bilder från satelliten Metop-B. Till vänster har information från AVHRR instrument använts och på bilden till höger information från MHS instrument. Lägg märke till att endast de allra tjockaste molnen som syns i bilden till vänster påverkar signalen i mikrovågskanalerna som används i bilden till höger.
AVHRR = Advanced Very High Resolution Radiometer.
MHS = Microwave Humidity Sounder.
Vissa satellitinstrument mäter även strålning som påverkas av andra molekyler och gaser i atmosfären till exempel ozon och koldioxid. Data kan därmed användas för att bestämma luftkvalitet.
Det finns också en mängd andra viktiga instrument på satelliterna som skickar ut strålning i olika frekvensband och mäter vad som studsar tillbaka. Med ett radarinstrument (till exempel ASCAT ombord på de europeiska Metop satelliterna) kan man till exempel bestämma vågmönster och våghöjd och därigenom beräkna vind över hav.
Med ett så kallat altimeter-instrument kan man mäta havsvattennivån.
Vad kan man ha satellitdata till?
Satellitdata är en typ av observation, som berättar för oss hur läget var just precis då data inhämtades.
Data från satelliter för att beräkna väderprognoser
Data från satelliter används exempelvis som indata i datormodeller för numeriska väderprognoser och kompletterar de mer glesa observationerna vid jordytan. Det behövs för att kunna ge ett bra utgångsläge när datormodellen ska beräkna hur vädret ska utvecklas framåt i tiden.
Användningen av satellitdata i de numeriska väderprognosmodellerna har ökat kraftigt de senaste decennierna. I dag är data från satelliter den viktigaste källan för att få utgångsläget för prognosen så rätt som möjligt.
Satellitbilder ger en bild av nuläget
En bildsekvens kan dels bestå av satellitinformation som visar hur molnen rört sig, dels en modellsimulering som visar hur molnen förväntas röra sig framåt i tiden. Satellitinformationen är lite av ett facit – hur det faktiskt blev. Satellitdata finns förstås aldrig framåt i tiden, hur molnen kommer att röra sig är alltid en beräknad rörelse.
Bilder som är skapade av satellitdata är också användbara för både meteorologer och oceanografer för att få en uppfattning om nuläget. Exempelvis för att avgöra exakt var en kallfront eller varmfront finns och om fronten verkligen rört sig den väg som morgonens modellkörning beräknade.
Bilderna kan också användas för att upptäcka mer lokala fenomen som inte syns i de numeriska modellerna, som dimma eller större bymoln (lokalt bildade skurar, ofta med åska) en sommareftermiddag.
Speciella kombinationer visar speciella fenomen
Det finns även speciella RGB-bildkombinationer som är anpassade för att till exempel lättare kunna urskilja konvektion och dimma, eller sand från Sahara och aska från vulkanutbrott. Oceanograferna använder bland annat bilderna till att kartera is och för att upptäcka algblomning.
Så kartlägger SMHI is till havs
Kartläggning av cyanobakterie-blomningar från satellit
Satellitdata för uppföljning och forskning
Den första bilden av jorden från rymden blev tagen av den amerikanska TIROS-1-satelliten den 1 april 1960, men det dröjde nästa två decennier tills man fick regelbundna och välkalibrerade digitala satellitmätningar av jorden och atmosfären.
Dessa data sammanställs numera i långa dataserier som visar förändringar i atmosfären över tid. Ett exempel är den sammanställning som SMHIs forskare gör tillsammans med kollegor från många institut runt om i Europa, om molnighet och strålning på jorden från 1979 fram till idag. Dessa data går att analysera för att dra slutsatser om molnighetens roll i pågående klimatförändring. Det gäller dels hur molnigheten förändras, dels hur denna förändring kan påverka effekten av klimatförändringen.
Satellitdata används även som referens vid utveckling av klimatmodeller för att kontrollera att klimatmodellerna klarar av att återskapa det sätt klimatet förändrats på fram till idag. Om de klarar av att återskapa den klimatförändring som skett fram till nu, ökar tilliten till att de även kan beskriva den klimatförändring som kan ske vid olika antaganden om framtida utsläpp av växthusgaser till atmosfären.