לווינים מטאורולוגיים
לווינים מטאורולוגיים הם אחד ממקורות המידע החשובים ביותר לחיזוי מזג אוויר, ניטור האטמוספרה ומעקב אחר מערכות עננים, משקעים, סופות, אבק, עשן ותופעות אקלימיות בקנה מידה אזורי ועולמי. באמצעות חיישנים המותקנים בחלל ניתן לצפות ברציפות בשטחים נרחבים ולקבל מידע שלא ניתן לאסוף באמצעות תחנה מטאורולוגית קרקעית אחת בלבד.
כדי להשתמש במידע המשודר מהלוויינים נדרשת תחנת קליטה מטאורולוגית הכוללת אנטנה, מקלט, מערכת עקיבה, מחשב ותוכנה לעיבוד ולהצגת הנתונים. התחנה קולטת את השידורים הדיגיטליים, ממירה אותם למידע שימושי ומאפשרת להציג תמונות לוויין, שכבות עננות ונתונים מטאורולוגיים נוספים.
מטאו-טק מספקת תחנה לקליטת שידורים דיגיטליים מלוויינים מטאורולוגיים, המיועדת לגופי חיזוי, מרכזי מחקר, שירותים מטאורולוגיים, מוסדות אקדמיים, שדות תעופה, גופי ממשל, מערכי חירום וארגונים הזקוקים לקבלת מידע מטאורולוגי עדכני מהחלל.
מהו לוויין מטאורולוגי?
לוויין מטאורולוגי הוא לוויין המצויד בחיישנים המודדים או מצלמים תופעות המתרחשות באטמוספרה ועל פני כדור הארץ. הוא אוסף מידע על עננים, טמפרטורות, לחות, קרינה, פני הים, קרקע, שלג, קרח ותופעות סביבתיות נוספות.
המידע מועבר מהלוויין אל תחנות קרקע, שבהן הוא נקלט, מפוענח ומוצג כתמונה או כמוצר נתונים. לאחר מכן ניתן לשלב אותו עם נתונים ממכ"ם מזג אוויר, תחנות מטאורולוגיות, רדיוסונדות, מודלים מספריים ומערכות חישה נוספות.
נתוני לוויינים מספקים תמונה מרחבית רחבה במיוחד. בעוד שתחנה קרקעית מודדת את התנאים בנקודה מסוימת, לוויין יכול לצפות במערכות מזג אוויר המכסות מדינות, ימים ויבשות.
כיצד פועלת תחנת קליטה מלוויינים מטאורולוגיים?
תחנת קליטה לוויינית מיועדת לקבל את האותות המשודרים מהלוויינים ולהמיר אותם לנתונים שניתן לנתח ולהציג.
תהליך העבודה כולל בדרך כלל את השלבים הבאים:
- הלוויין מודד או מצלם את האטמוספרה ואת פני כדור הארץ.
- הנתונים מקודדים ומשודרים אל הקרקע.
- אנטנת התחנה קולטת את האות.
- המקלט מסנן ומפענח את השידור הדיגיטלי.
- תוכנה ייעודית מעבדת את המידע.
- הנתונים מוצגים כתמונות, מפות, ערוצים ספקטרליים ומוצרים מטאורולוגיים.
- המשתמש יכול לשמור, לנתח ולהפיץ את הנתונים למערכות נוספות.
בהתאם לסוג הלוויין, התחנה עשויה לכלול אנטנה קבועה או אנטנה המסוגלת לעקוב אחר תנועת הלוויין בשמיים.
סוגי לוויינים מטאורולוגיים
לוויינים גיאוסטציונריים
לוויין גיאוסטציונרי נמצא במסלול שבו הוא נראה כאילו הוא נשאר מעל אותה נקודה יחסית לכדור הארץ. מיקום זה מאפשר לו לצפות ברציפות באותו אזור ולספק תמונות בתדירות גבוהה.
לוויינים מסוג זה מתאימים במיוחד ל:
- מעקב רציף אחר מערכות עננים
- ניטור התפתחות סופות
- מעקב אחר חזיתות
- זיהוי סופות אבק
- מעקב אחר עשן משריפות
- ניטור עננות באזורי תעופה
- חיזוי מזג אוויר לטווח קצר
- זיהוי מהיר של שינויים אטמוספריים
היתרון העיקרי הוא תדירות עדכון גבוהה. ניתן לראות כיצד מערכת מזג אוויר מתפתחת ונעה לאורך הזמן ולא להסתפק בתמונה בודדת.
לוויינים במסלול קוטבי
לוויינים במסלול קוטבי מקיפים את כדור הארץ בגובה נמוך יותר וחולפים מעל אזורים שונים בכל הקפה. במהלך היום הם יכולים לכסות חלקים נרחבים מאוד של כדור הארץ.
הקרבה היחסית לפני הקרקע מאפשרת לקבל בדרך כלל נתונים ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר לעומת לוויינים גיאוסטציונריים.
לוויינים אלה משמשים ל:
- מדידת טמפרטורת פני הים
- מיפוי עננים
- מעקב אחר שלג וקרח
- ניטור צמחייה
- מחקר אקלים
- זיהוי שריפות
- מדידת פרופילים אטמוספריים
- חקר האוקיינוסים
- מעקב אחר שינויים סביבתיים
מערכות לוויין משולבות
במערכי חיזוי ומחקר נהוג לשלב נתונים מלוויינים גיאוסטציונריים ומלוויינים במסלול קוטבי. הלוויין הגיאוסטציונרי מספק רצף תצפיות בתדירות גבוהה, בעוד שהלוויין הקוטבי מספק מדידות מפורטות יותר בזמנים שבהם הוא חולף מעל האזור.
השילוב מאפשר לקבל תמונה מלאה יותר של האטמוספרה ושל פני השטח.
אילו נתונים ניתן לקבל מלוויינים מטאורולוגיים?
תחנת קליטה מתאימה יכולה לספק גישה לסוגים שונים של נתונים, בהתאם ללוויין, לחיישנים ולפורמט השידור.
הנתונים עשויים לכלול:
- תמונות עננות באור נראה
- תמונות אינפרה אדום
- תמונות אדי מים
- טמפרטורת פסגות עננים
- טמפרטורת פני הים
- טמפרטורת הקרקע
- מיקום ותנועת מערכות עננים
- זיהוי סופות אבק
- זיהוי עשן
- מוקדי שריפה
- כיסוי שלג וקרח
- לחות אטמוספרית
- פרופילי טמפרטורה
- מדדי צמחייה
- הערכת משקעים
- תנועת חזיתות
- התפתחות סופות
- קרינה באורכי גל שונים
לא כל תחנה קולטת את כל סוגי הנתונים. יש להתאים את מערכת הקליטה ללוויינים הרצויים, לתחום התדרים, לפורמט השידור וליישומים המקצועיים של המשתמש.
ערוצי צילום ומדידה בלוויינים מטאורולוגיים
ערוץ אור נראה
ערוץ האור הנראה מספק תמונה הדומה לצילום רגיל של כדור הארץ. הוא מאפשר להבחין בעננים, יבשה, ים, שלג, קרח, עשן ואבק כאשר תנאי התאורה מתאימים.
ערוץ זה שימושי במיוחד בשעות היום לצורך זיהוי מבנה עננים, מעקב אחר ערפל, זיהוי אבק ועשן, הבחנה בין ים ליבשה וניתוח תופעות מקומיות.
בלילה לא ניתן להשתמש באור השמש המוחזר, ולכן נעשה שימוש בערוצי אינפרה אדום ובערוצים נוספים.
ערוץ אינפרה אדום
חיישני אינפרה אדום מודדים קרינה תרמית הנפלטת מהעננים, מהקרקע ומהים. באמצעות המדידה ניתן להעריך את הטמפרטורה של המשטח הנצפה.
בעננים גבוהים וקרים מתקבל בדרך כלל אות שונה מעננים נמוכים וחמים. לכן ניתן להעריך את גובה פסגת הענן ולעקוב אחר ענני סערה גם בלילה.
ערוץ אדי מים
ערוץ אדי מים מספק מידע על פיזור הלחות בשכבות שונות של האטמוספרה. הוא מסייע לזהות אזורים לחים ויבשים, זרמי אוויר בגובה, שקעים, רכסים ותהליכים הקשורים להתפתחות מזג האוויר.
ערוצים ספקטרליים נוספים
לווינים מטאורולוגיים מתקדמים כוללים חיישנים הפועלים במספר רב של אורכי גל. שילוב הערוצים מאפשר לזהות תופעות שלא תמיד ניתן להבחין בהן בערוץ יחיד.
ניתן להשתמש בשילובי ערוצים לצורך:
- הבחנה בין ענן לשלג
- זיהוי אבק מדברי
- זיהוי אפר וולקני
- איתור ערפל
- זיהוי עשן ושריפות
- הערכת גובה עננים
- ניתוח טמפרטורות
- מעקב אחר פני הים
- זיהוי צמחייה ושינויים סביבתיים
שימוש בלוויינים לחיזוי מזג אוויר
נתוני לוויין משמשים חזאים לצורך מעקב אחר מצב האטמוספרה, זיהוי מערכות מזג אוויר והערכת התפתחותן.
בעזרת הנתונים ניתן לעקוב אחר:
- כניסת חזיתות
- התפתחות שקעים
- תנועת עננות
- התפתחות סופות רעמים
- מערכות גשם
- ערפל
- אובך ואבק
- זרמי סילון
- לחות בגובה
- התפתחות עננות מעל הים
- שינויים במבנה הסינופטי
תצפיות לוויין מאפשרות לזהות מערכת עוד לפני שהיא מגיעה לאזור שבו פועלות התחנות הקרקעיות. בכך הן מספקות לחזאי זמן נוסף לניתוח ולהיערכות.
ניטור עננים וסופות
אחד השימושים המרכזיים של לווינים מטאורולוגיים הוא מעקב אחר התפתחות עננים וסופות.
תמונות חוזרות מאפשרות לזהות:
- התחלה של התפתחות ענני סערה
- גידול מהיר בגובה העננים
- תנועה וסיבוב של מערכות עננים
- התפתחות קווי סערה
- פסגות עננים קרות
- התפזרות או התחזקות של מערכת
- חדירת עננות לאזור מסוים
כאשר נתוני הלוויין משולבים עם מכ"ם מזג אוויר ועם מדידות ברקים, ניתן לקבל תמונה מדויקת יותר של עוצמת הסופה, מיקומה וכיוון תנועתה.
זיהוי סופות אבק ואובך
סופות אבק הן תופעה משמעותית בישראל ובמזרח התיכון. חלקיקי אבק יכולים לעבור מרחקים גדולים, להפחית את הראות, לפגוע באיכות האוויר ולהשפיע על תעופה, תחבורה, בריאות הציבור ומערכות אנרגיה סולרית.
באמצעות עיבוד של ערוצים ספקטרליים ניתן לזהות ענני אבק ולעקוב אחר:
- אזור המקור
- כיוון ההסעה
- התפשטות ענן האבק
- הגעתו לאזורי אוכלוסייה
- הקשר בין האבק למערכות רוח
- משך האירוע
- התפזרות הדרגתית
- תנועה מעל הים והיבשה
נתוני לוויין מספקים כיסוי אזורי רחב ולכן משלימים היטב מדידות מתחנות איכות אוויר וממערכות אירוסול לידר.
ניטור שריפות ועשן מהחלל
חיישנים לווייניים יכולים לזהות מוקדי חום ושכבות עשן. מידע זה משמש למעקב אחר שריפות יער, שריפות בשטחים פתוחים ואירועים תעשייתיים.
הנתונים יכולים לסייע ב:
- זיהוי מוקדי שריפה
- מעקב אחר התפשטות עשן
- הערכת כיוון תנועת הפלומה
- זיהוי אזורים העלולים להיות מושפעים
- תמיכה במערכי חירום
- מעקב אחר אירועים אזוריים
- הערכת השפעה על איכות האוויר
- תיעוד אירועים לצורכי מחקר
לוויינים מטאורולוגיים לתעופה
מידע לווייני חשוב לתכנון ולניהול תעופה, במיוחד באזורים שבהם כיסוי התחנות הקרקעיות מוגבל.
לוויינים מסייעים בזיהוי ובמעקב אחר:
- עננות גבוהה
- ענני סערה
- ערפל ועננות נמוכה
- סופות אבק
- עשן
- אפר וולקני
- מערכות מזג אוויר לאורך נתיבי טיסה
- לחות וזרימות בגובה
- תנאים מעל הים
- שינויים מהירים במזג האוויר
בשדות תעופה ובמרכזי חיזוי תעופתי, נתוני הלוויין משולבים עם תחנות מזג אוויר, מכ"ם, מדי גובה בסיס ענן, מדי ראות, גלאי ברקים ומודלים מטאורולוגיים.
שימוש בלוויינים במחקר אקלים
לווינים מטאורולוגיים מאפשרים ליצור סדרות נתונים ארוכות על האטמוספרה, הים והיבשה. נתונים אלה משמשים חוקרים לבחינת מגמות אקלימיות ושינויים סביבתיים.
יישומי מחקר כוללים:
- מעקב אחר טמפרטורת פני הים
- שינויים בכיסוי עננים
- נסיגת קרח ושלג
- שינויים בצמחייה
- בצורת
- שינויי טמפרטורת קרקע
- תדירות סופות
- אירועי חום קיצוניים
- שינויים במאזן הקרינה
- תנועת אירוסולים ואבק
- מעקב אחר התפתחות מדברית
היתרון של מידע לווייני הוא היכולת להשוות בין אזורים נרחבים באמצעות שיטת מדידה אחידה יחסית.
שילוב נתוני לוויין עם תחנות מטאורולוגיות
לוויין מספק כיסוי מרחבי רחב, אך תחנה קרקעית מספקת מדידה מקומית וישירה של תנאים בגובה הקרקע.
שילוב בין שני המקורות מאפשר:
- לאמת נתוני לוויין
- להשוות בין תצפית מרחבית למדידה נקודתית
- לשפר ניתוח של מערכות מזג אוויר
- לזהות תנאים מקומיים שאינם נראים היטב מהחלל
- לשפר מודלים מטאורולוגיים
- לנתח משקעים ועננות
- להעריך טמפרטורות פני שטח
- לזהות אירועי אבק, עשן או ערפל
תחנה מטאורולוגית יכולה למדוד טמפרטורה, לחות, רוח, גשם, לחץ וקרינה, בעוד שנתוני הלוויין מספקים את ההקשר האזורי שבו נמצאת התחנה.
שילוב נתוני לוויין במודלים לחיזוי מזג אוויר
מודלים נומריים לחיזוי מזג אוויר זקוקים לתיאור מדויק ככל האפשר של מצב האטמוספרה בנקודת ההתחלה.
נתוני לוויינים יכולים לשמש בתהליך הטמעת נתונים לצורך שיפור הערכות של:
- טמפרטורה בגבהים שונים
- לחות אטמוספרית
- טמפרטורת פני הים
- כיסוי עננים
- קרינה
- רוחות
- מצב פני הקרקע
- שלג וקרח
ככל שהמידע ההתחלתי מדויק ומקיף יותר, כך עשויה להשתפר יכולת המודל לחזות את התפתחות המערכת.
רכיבי תחנה לקליטת שידורי לוויין
תחנת קליטה מלאה עשויה לכלול מספר רכיבים, בהתאם ללוויינים וליישום.
אנטנה
האנטנה קולטת את השידור מהלוויין. גודל האנטנה, המבנה שלה וטווח התדרים נקבעים לפי סוג השידור ועוצמת האות.
מערכת עקיבה
כאשר קולטים לוויין שאינו קבוע ביחס לתחנה, יש צורך לעקוב אחר מסלולו בשמיים. מערכת העקיבה מזיזה את האנטנה בהתאם למיקום המחושב של הלוויין.
מקלט לווייני
המקלט מקבל את האות מהאנטנה, מסנן אותו וממיר אותו לנתונים דיגיטליים שניתן להעביר למחשב.
מחשב עיבוד
מחשב התחנה מפעיל את תוכנת הקליטה, שומר את הקבצים ומעבד את הנתונים. דרישות המחשב תלויות בנפח המידע, בקצב הקליטה ובסוגי המוצרים המופקים.
תוכנת קליטה ועיבוד
התוכנה מנהלת את תהליך הקליטה ומציגה את הנתונים. היא עשויה לכלול כלים להצגת תמונות, שילוב ערוצים, הנפשות, ארכיון, ייצוא וניתוח.
מערכת תקשורת ואחסון
תחנה מקצועית עשויה להעביר את הנתונים לרשת ארגונית, למרכז חיזוי, לשרת או למערכת ארכיון. יש לתכנן נפח אחסון מתאים וקצב תקשורת המספיק להעברת הנתונים.
כיצד לבחור תחנה לקליטת נתוני לוויין?
אילו לוויינים רוצים לקלוט?
יש להגדיר האם נדרשת קליטה מלוויינים גיאוסטציונריים, מלוויינים במסלול קוטבי או משני הסוגים.
אילו תדרים ופורמטים נדרשים?
יש לוודא שהאנטנה, המקלט והתוכנה תומכים בתחום התדרים ובפורמט השידור של הלוויינים המבוקשים.
האם נדרשת קליטה ישירה?
בחלק מהיישומים ניתן לקבל נתונים דרך האינטרנט או באמצעות שירות הפצה. במקרים אחרים קיימת חשיבות לקליטה ישירה ועצמאית בתחנה המקומית.
קליטה ישירה יכולה לספק:
- עצמאות תפעולית
- קבלת נתונים מהירה
- שליטה בתהליך הקליטה
- גישה לנתונים גולמיים
- עבודה גם כאשר שירות חיצוני אינו זמין
- התאמה למערכות מבצעיות
רזולוציה ותדירות עדכון
יש להגדיר מהי הרזולוציה המרחבית הנדרשת ובאיזו תדירות יש לקבל תמונות ונתונים.
חיזוי לטווח קצר עשוי לדרוש תדירות עדכון גבוהה, בעוד שמחקר אקלימי עשוי לתת דגש גדול יותר על יציבות, ארכיון ורציפות הנתונים.
דרישות עיבוד ואחסון
נתוני לוויין יכולים ליצור נפחי מידע גדולים. יש לתכנן:
- שטח אחסון
- גיבוי
- מהירות עיבוד
- ארכיון
- אבטחת מידע
- הפצת נתונים
- ממשק למערכות חיצוניות
תנאי אתר ההתקנה
יש לבחון את שדה הראייה של האנטנה, הפרעות אלקטרומגנטיות, תנאי רוח, גשם, מליחות, אבק, גישה לתחזוקה והגנה מפני ברקים.
היתרונות של תחנת קליטה מקומית
תחנת קליטה מקומית מאפשרת לארגון לקבל מידע ישירות מהלוויין ולהפחית תלות במקור נתונים חיצוני.
היתרונות המרכזיים כוללים:
- גישה עצמאית לנתונים
- קבלת מידע בזמן קצר
- אפשרות לשמור נתונים גולמיים
- התאמת העיבוד לצורכי הארגון
- שילוב במערכת חיזוי מקומית
- בניית ארכיון עצמאי
- תמיכה במחקר
- אפשרות להפצת המידע למשתמשים מורשים
- עבודה רציפה בהתאם לזמינות הלוויין והתחנה
הערך של התחנה גבוה במיוחד כאשר הנתונים משמשים לפעילות תפעולית, מחקרית או מבצעית.
התקנת תחנה לקליטת לוויינים מטאורולוגיים
התקנה נכונה חשובה כדי לשמור על איכות הקליטה ועל זמינות המערכת.
יש להתייחס לנושאים כגון:
- שדה ראייה פתוח לכיוון הלוויינים
- מרחק ממבנים גבוהים
- מניעת הפרעות מאנטנות וממקורות שידור
- תשתית מכאנית עמידה
- עמידות ברוחות
- הארקה
- הגנה מפני ברקים
- אטימות ועמידות לתנאי חוץ
- אספקת חשמל יציבה
- גיבוי חשמלי
- תקשורת נתונים
- גישה בטוחה לתחזוקה
- מיקום מתאים לחדר המחשוב
במערכות עם אנטנה עוקבת יש לוודא שאין עצמים המגבילים את טווח התנועה שלה.