کاربرد ماهواره‌ها در پیش‌بینی وضع هوا

نکته قابل توجه در مورد ماهواره‌ها این است که در هوای ابری به شرط آنکه آسمان کاملا پوشیده از ابر نباشد می‌توان اطلاعات زمین را گرفت و ثبت کرد. چنین فعالیت‌هایی را از طریق هواپیما و تصویربرداری هوایی نمی‌توان به دست آورد.

هواشناسی به وسیله ماهواره‌های سنجش از دور
یکی از مهم‌ترین کاربردهای ماهواره‌های سنجش از دور، هواشناسی است. به وسیله ماهواره‌های سنجش از دور، داده‌های هواشناسی در مقیاسی جهانی گردآوری می‌شوند که نسبت به داده‌های متداول بسیار کامل‌تر هستند.
پیش‌بینی‌های وضع هوا نیاز به دسترسی سریع اطلاعات منطقه‌ای وسیع دارد و از آنجا که مشاهدات هواشناسی به سرعت در حال تغییر است، این اطلاعات باید تا جایی که ممکن است، به دفعات جمع آوری شوند. ماهواره‌ها برای تامین این گونه داده‌ها به دلیل پوشش وسیع و دسترسی فوری به داده‌های آنها در نوع خود بی نظیر هستند.
برای موفقیت در پیش بینی وضع هوا در کوتاه مدت، به خصوص برای پیش بینی جابجایی و توسعه بارندگی در شش ساعت آینده، ارایه یک گزارش مناسب از شرایط جاری وضع هوا ضروری است. در این خصوص، داده‌های تصویر ماهواره‌ای (که دقت و جزییات رضایت بخشی را برای پیش بینی کوتاه مدت هوا تامین می کند)، اهمیت ویژه‌ای دارند. داده‌های تصویری امکان انجام مطالعات سینوپتیکی از وضعیت اتمسفری را فراهم می‌آورد و می‌تواند پیش بینی وضعیت هوا بر اساس درک فیزیک اتمسفری و همچنین تجارب گذشته رفتار اتمسفری را ممکن سازد.

اهمیت و کاربرد داده‌های ماهواره‌ای
تداوم توسعه و بهبود تجهیزات ماهواره‌ای و وابستگی مکانی زیاد به استگاه‌های هواشناسی در پی کاهش تعداد ایستگاه‌های هواشناسی در اقیانوس که اندازه گیری‌های سطحی و بالایی اتمسفر را انجام می‌دهند، نشان دهنده اهمیت داده‌های ماهواره‌ای است.
در واقع در مناطقی که انواع متداول مشاهدات سطحی و بالایی اتمسفری اندک بوده یا وجود ندارند (یعنی در مناطق اقیانوسی دور از مسیر دالان های پرواز بین المللی و نیز در مناطق کم جمعیت قاره‌ای)، داده‌های ماهواره‌ای اغلب شواهد مربوط به سیستم آب و هوایی جاری یا آینده را تامین می‌کنند.
در حال حاضر، از مشاهدات ماهواره‌ای به طور منظم در تهیه گزارش وضع هوا و پیش بینی هواشناسی همگام با اندازه‌گیری‌های انجام شده در ایستگاه‌های زمینی، کشتی‌ها، هواپیماها و تجهیزات بالن استفاده می‌شود. به طور معمول ماهواره های هواشناسی، تصاویر باند نور مرئی و باند مادون قرمز تولید می‌کند. این تصاویر را معمولاً برای گزارش از وضعیت هوا بوسیله تلویزیون، به نمایش می‌گذارند.
اهمیت نسبی مشاهدات ماهواره‌ای به شرایط آب و هوایی بستگی دارد. هر کار شناس ماهر باید درک بسیار خوبی از روابط بین اشکال و الگوهای نقشه‌های حرارتی، فشار، رطوبت، و وضعیت هوا یا عدم وجود سیستم‌های آب و هوایی داشته باشد. اگر چه رابط بین آنها بسیار خوب تعریف شده است. بدین معنی که کارشناس می‌تواند نقشه‌های تحلیلی را تهیه کند، به گونه ای که متناسب با سیستم‌های ابری و بر اساس داده‌های ماهواره‌ای باشد.
داده های ماهواره هواشناسی به صورت تصویری قادر به نمایش شدت و گستردگی سیستم‌های ابری و هم چنین تعیین موقعیت آنها هستند. به هر حال اینگونه داده‌های تصویری باید از سوی کارشناسان مجرب تفسیر گردد، لذا می‌توان با تعیین شاخصهای ضروری، میدان‌های تقریبا افقی فشار، باد، حرارت و رطوبت، سطوح مختلف تروپوسفر را به نقشه کشید.
از آنجا که مدار ماهواره ها بسیار بالاتر از منطقه اتمسفری تحت نفوذ تغییرات آب و هوایی است و با توجه به این حقیقت که شاخص‌های مورد نیاز مستقیما اندازه گیری نمی‌شوند، بنابراین روش‌های کسب اطلاعات در مورد خود اتمسفر محدودیت‌هایی دارد.
نه تنها اندازه، موقعیت و شکل مناطق ابری را می‌توان با بررسی روشنایی نسبی و بافت تصویری به دست آورد. بلکه برای کسب اطلاعات ساختار عمودی ابرها می‌توان از تصاویر باند مرئی و مادون قرمز ماهواره‌ها استفاده کرد. در حالی که روشنایی ابرها در هر تصویر باند مرئی به شدت روشنایی خوشید، و رادیو متر   (سنجنده) بستگی دارد، روشنایی ابرها در هر تصویر مادون قرمز نیز به حرارت سطح  انتشار بستگی دارد بطوری که هر چه تصویر روشن‌تر باشد، قسمت فوقانی ابر سردتر است. هر تصویر مادون قرمز در بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی به دست می‌آید که اتمسفر در این ناحیه طیفی، تقریبا نور گذران است؛ بنابراین تابش متصاعد  از ابرها و سطح زمین تقریبا بدون اثر و دخالت اتمسفر به ماهواره خواهد رسید.

ماهواره‌های هواشناسی نظامی
 ایده طراحی و ساخت ماهواره‌های هواشناسی نظامی تقریبا همزمان با همنوع‌های غیرنظامی مطرح شد. در بین کشورهای جهان، ایالات متحده قدرتی بلامنازع در طراحی و ساخت ماهواره‌های هواشناسی نظامی شناخته شده است. این کشور از اوایل دهه ۱۹۷۰، با طرح‌ریزی یک برنامه فضایی با نام «برنامه ماهواره‌های هواشناسی دفاعی (DMSP)»، زیر نظر وزارت دفاع این کشور، گام‌های مهمی در این زمینه برداشته است. ظاهرا سایر کشورهای جهان در این حوزه فعالیت‌های مدون و سازمان‌یافته‌ای نداشته‌اند و بیشتر اطلاعات موجود در زمینه ماهواره‌های هواشناسی به فعالیت‌های آمریکا ختم می‌شود.

برنامه ماهواره‌های هواشناسی دفاعی آمریکا
ماهواره‌های هواشناسی که تحت برنامه فضایی دی.ام.اس.پی، طراحی و ساخته شده‌اند، از دقت بسیار بالایی در دیده‌بانی رویدادهای موثر در وضعیت هواشناسی زمین برخوردار است. این ماهواره‌ها قادر به تشخیص کوچک‌ترین اشیاء روی زمین در حد و اندازه‌های یک تانکر نفتی هستند. مضاف بر این‌که، این ماهواره‌های نظامی، تنها ماهواره‌هایی هستند که مجهز به سامانه‌های دیده‌بانی در شب هستند. برخی از دیدنی‌ترین تصاویر ماهواره‌های گرفته شده از زمین در شب متعلق به ماهواره‌های DMSP است. این ماهواره‌ها قادر به ردیابی چراغ‌های شهر، آتشفشان‌ها، آتش‌سوزی، رعد و برق، شهابسنگ‌ها، میدان‌های نفتی و همچنین شفق‌های قطبی شمال و جنوب هستند. ماهواره‌های هواشناسی نظامی به کمک سنجنده‌های فروسرخ و حسگر‌های حرارتی می‌توانند علاوه بر ردیابی آتش‌سوزی‌ها در شب یا روز، منابع بالقوه آتش‌سوزی در زیر زمین را نیز تشخیص دهند. بررسی آتشفشان‌های روی زمین و تشخیص ابرهای باران‌زا از ابرهای تشکیل‌شده بر فراز قلل آتشفشانی از جمله توانایی‌های این ماهواره‌ها به شمار می‌روند. ماهواره‌های متعلق به برنامه‌ DMSP در جریان آتش‌سوزی‌های چاه‌های نفت کویت در جریان جنگ این کشور با عراق بیش از ۶۰۰ تصویر دقیق از این حادثه گرفت و توانست نشست میلیون‌ها گالن نفت خام را در آب‌های خلیج‌فارس و گستره آن را ردیابی کند.

برنامه فضایی DMSP چگونه آغاز شد؟
در طول دهه ۱۹۶۰، برنامه‌های زیادی در ارتش آمریکا طرح‌ریزی شد که یکی از این برنامه‌ها، طراحی و ساخت ماهواره‌های هواشناسی نظامی بود. در آن سال‌ها کنگره آمریکا، بودجه قابل توجهی را به این امر اختصاص داد. اما در خود ارتش به جز تعداد معدودی، هیچ کس از ماهیت این برنامه اطلاعاتی نداشت. ارتش به دنبال آن بود تا با استفاده از داده‌هایی که از این ماهواره‌ها به دست می‌آید در عملیات‌های نظامی و سایر برنامه‌های مرتبط با آن به طور موثر استفاده کند. در زمانی که این پروژه آغاز شد، به کمک سنجنده‌هایی که در ماهواره‌های اولیه به کار می‌گرفتند می‌توانستند از پوشش‌های ابری در جو زمین نقشه‌برداری رادیویی انجام دهند و توانستند فیلم‌ها و تصاویری با کیفیت بالا بگیرند. در ابتدا این فیلم‌ها بر اساس سامانه بازگشت فیلم به زمین می‌رسیدند؛ به گونه‌ای که تصاویر و فیلم‌های گرفته شده توسط این ماهواره‌ها به کمک یک کپسول به زمین باز می‌گشت و بازیابی می‌شدند. مدار گردش ماهواره‌های این سیستم، یک مدار خورشید آهنگ بود. به طوری که این دوره گردش این ماهواره‌ها به دور زمین ۱۰۱ دقیقه بود و در هر ۲۴ ساعت تقریبا ۳.۱۴ بار به گرد زمین می‌چرخیدند. به این شکل این ماهواره‌ها قادر بودند در هر شبانه‌روز دو بار از فراز یک منطقه در روز عبور کنند و کل سطح زمین را پوشش دهند. در نسل‌های بعدی ماهواره‌های DMSP، تصاویر به زمین رله می‌شدند و دو ایستگاه زمینی تصاویر را دریافت و بازخوانی کرده و برای بخش‌های مختلف در ارتش آمریکا ارسال می‌شدند. این داده‌های تصویری پس از پردازش، موزائیک شده و خروجی آن‌ها در اختیار بخش‌های عملیاتی ارتش برای استفاده در عملیات‌ها قرار می‌گرفتند. پس از آن با پیشرفت سامانه‌های مربوط به حسگرهای فروسرخ، این امکان برای ماهواره‌های هواشناسی نظامی ایجاد شد که بتوانند در شب هم به فعالیت و جمع‌آوری داده بپردازند. در حال حاضر نسل پنجم ماهواره‌های DMSP در مدار زمین قرار دارند و این ماهواره‌ها تاکنون اطلاعات بسیار ارزشمندی از وضعیت آب و هوای زمین به دست آورده‌اند. البته داده‌های این ماهواره‌ها محرمانه بوده است و از دسامبر ۱۹۷۲، تنها دانشمندان و مهندسان نظامی حق دسترسی به این داده‌ها را دارند. در ژوئن ۱۹۹۸ نیز به موجب قراردادی که مابین ارتش آمریکا و سازمان ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) به امضاء رسید برای کاهش هزینه‌ها، وظیفه کنترل و نگهداری این ماهواره به این سازمان محول شد.

تاریخچه پرتاب ماهواره‌های DMSP
برنامه فضایی ماهواره‌های هواشناسی نظامی آمریکا در ابتدا با نام «برنامه ۳۵» شناخته می‌شد. نخستین ماهواره از این برنامه در ۲۳ اوت ۱۹۶۲ توسط پرتابگر اسکات ایکس۲، از پایگاه فضایی واندنبرگ به فضا پرتاب شد. البته کمی قبل‌تر از آن در ۲۴ می همان سال دو ماهواره از این برنامه فضایی در راه تزریق به مدار ناموفق بودند. به طور کلی از 5 ماهواره اولیه این برنامه که توسط موشک اسکات به فضا پرتاب شدند، سه مورد با شکست مواجه شد. پس از آن برای پرتاب ماهواره‌ها از موشک «تور» بهره گرفتند و بین سال‌های ۱۹۸۲ تا ۱۹۹۵، در مجموع ۸ پرتاب توسط موشک «اطلس.ای» انجام شد. نسل بعدی ماهواره‌های DMSP، بین سال‌های ۹۷ تا ۲۰۰۳ توسط پرتابگر «تایتان۲» انجام پذیرفت و یکی از ماهواره‌ها را هم موشک «دلتا۴» در مدار زمین قرار داد. ماهواره DMSP–F18، آخرین نمونه از ماهواره‌های هواشناسی نظامی آمریکا است که در ۱۸ اکتبر ۲۰۱۲ توسط پرتابگر اطلس۵ به فضا ارسال شد. در آخرین نسل از این ماهواره‌ها از سامانه پیشرانش جدیدی با نام پیشرانش برودتی استفاده شد که پیش‌بینی می‌شود که در آینده از این فناوری در ماهواره‌ها بیشتر استفاده شود.