Satelliter vid horisonten ger bättre väderprognoser

Sommaren 1962 sände Nasa rymdsonden Mariner 2 till Venus. Det hela blev en stor succé. Sonden gick planenligt in i omloppsbana runt planeten och började skickade hem bilder och data.

Snart upptäckte man att signalkvalitén och -fasen från Mariner 2 förändrades varje gång den var på väg in bakom Venus. Dessutom kunde signalen höras även en stund efter att sonden borde ha skymts helt av planeten. Likadant var det när den var på väg att dyka upp igen. Man insåg att detta berodde på att Venus hade en atmosfär. En radiosignal är en elektromagnetisk våg, och den böjs precis som ljuset när den passerar från ett medium till ett annat. Ju tätare atmosfären är, desto högre är dess brytningsindex och desto mer avlänkas signalen. Nu fick man bevis för att Venus atmosfär var mycket tjock.

Senare kom en rysk forskare på att man borde kunna utnyttja samma fenomen för att undersöka vår egen planets atmosfär. Varför inte använda ­radiosignaler från satelliter precis när de går upp eller ner vid horisonten?

Metoden kallas ockultation, och den används nu systematiskt på de europeiska vädersatelliterna Metop A och Metop B. På teckningen ovan ser vi principen för hur det hela fungerar. Metop B tar in signalen från en gps-satellit. Eftersom Metop B går i lägre bana än gps-satelliten har den kortare omloppstid och kommer att köra ifrån gps-satelliten. Metop B kan med sin antenn se gps-satelliten gå ner bakom horisonten.

Analyserar vi den signal från den sjunkande gps-satelliten som uppfångas av Metop B kan vi med hjälp av signalens fasförskjutning och dess brytning räkna ut profiler för temperatur, tryck och luftfuktighet i atmosfären. Sådana data hade tidigare bara kunnat fås med hjälp av väderballonger. Men ballonger sänds upp högst någon gång per dag, och då oftast över land. Med ockultationsmetoden kan vi få data hundratals gånger per dygn över både hav och land.

Men hur kan fasförändring och brytning ge temperatur, tryck och fuktighet?

– Brytningen är beroende av temperatur och tryck, svarar Magnus Bonnedal, systemingenjör vid Ruag Space i Kallebäck utanför Göteborg. Refraktionen är maximalt ungefär två grader. Vi brukar tala om lök-modellen. Tänk er att vi delar upp atmosfären i ett antal koncentriska skikt som i teckningen ovan. När gps-satelliten närmar sig horisonten går dess signal först genom det yttersta skiktet. Då får vi data om hur signalen förändras där. När gps-satelliten sjunker går signalen även genom det näst översta skiktet, och vi får nya data. Nu kan vi subtrahera effekten från det yttersta skiktet och räkna fram uppgifter för det näst översta. Så kan vi fortsätta och bestämma effekterna, skikt efter skikt. Och med utgångspunkt från detta kan vi räkna fram temperatur-, tryck- och luftfuktighetsprofiler.

– Och nu är det så att det finns ett trettiotal gps-satelliter i olika banor och som varje sekund skickar ut en signal. En enda satellit kan registrera upp till 650 gsm-satellitockultationer varje dygn.

– Ockultation är den enda metod som inom tio år definitivt kan säga om klimatet förändras, säger Magnus Bonnedal. Han har varit med och utvecklat instrumentet GRAS som gör ockultationsobservationerna.

GRAS står för GNSS Receiver for Atmospheric Sounding, där GNSS i sin tur står för Global Navigation Satellite System, det vill säga exempelvis gps. Instrumentet väger 30 kg. Det fanns med på vädersatelliten Metop A från 2006 och har fungerat perfekt från start. Det finns också på Metop B, som sändes upp den 20 september 2012. Det räknar automatiskt ut i vilken riktning och när en gps-­satellit ska gå upp eller ner vid horisonten. Antennerna täcker en vinkel på över 45° framåt och bakåt.

Metopsatelliterna går i polär bana och tillhör den europeiska samarbetsorganisationer Eumetsat som också driver de geostationära vädersatelliterna Meteosat. Data från satelliterna levereras till den europeiska väderbyrån ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts i Reading, England – vilken sedan skickar uppgifterna vidare till medlemsländernas egna meteorologiska institut. Metop A och B levererar nu data från 1 400 ockultationer per dygn. Om några år kommer en ny satellit att sändas upp – Metop SG (second generation). Den kommer att ha ockultationsinstrument som tar signaler inte bara från gps-satelliter, utan även från det europeiska positioneringssystemet Galileo och det ryska Glonass (se artikel

Behöver vi verkligen så mycket information? Det blir enorma datamängder som ska processas.

– Jodå, svarar Magnus Bonnedal. Meteorologerna vill ha 10 000 – 20 000 ockultationer per dygn för sina globala väderprognoser.