Meteosat

Meteosat is een onderneming van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, Eumetsat. Het is een heel systeem van grondstations, gegevensverwerking en verspreiding van weerfoto's. De Meteosats omcirkelen de aarde in een geostationaire baan op een hoogte van 35.786 km boven het zeeoppervlak. Dat betekent dat ze steeds boven het zelfde punt boven de aarde lijken te staan. Meteosat 1 stond boven de evenaar, precies op het kruispunt met de nul-meridiaan. Daardoor kwamen Afrika en Europa in beeld. Europa ligt in die opnamen een beetje aan de rand, maar door allerlei beeld-aanpassingen is daar toch goed mee te werken.

Meteosat heeft een bijzonder scansysteem, waarbij de satelliet zelf om haar as draait en zo de scan uitvoert. Om het half uur wordt een foto van het hele aarde gemaakt.

Meteosat 1 werd op 23 november 1977 gelanceerd en deze eerste generatie liep tot en met nummer 7. Daarna kwam in januari 2003 Meteosat 8 in bedrijf, de eerste van de "tweede generatie". Men zorgt ervoor dat er altijd een andere Meteosat "standby" is, voor het geval er een uitvalt. 

 

 

ruimtevaartuig

Meteosat is een busvorming ruimtevaartuig met en compacte telescoop, de radiometer (of stralingsmeter). Aan de buiten zitten de zonnecellen die voor de elektrische energie zorgen. In een van de zonnepanelen is een uitsparing gemaakt waardoor de telescoop zicht heeft op de aarde. Bovenop zijn twee staafvormige antennes aangebracht, maar de richtantenne bestaat uit heel veel dipool antennes. Elektronisch worden steeds die antennes ingeschakeld die naar de aarde gericht zijn. Dat in- en uitschakelen van de antennes gebeurt tegen de draairichting in. Zo voorkomt men een draaiende schotelantenne, met de bijbehorende aandrijving (en slijtage!). In de tekening links is te zien dat er onder de Meteosat een "apogee boost motor" bevestigd is. Die brengt de Meteosat in de geostationaire baan, maar wordt afgestoten voordat de satelliet in de uiteindelijke omloopbaan bereikt heeft. De "thrusters"  in de tekening zijn kleine stuwraketjes, die op hydrazine werken en er voor dienen om de satelliet op zijn juiste plaats aan de hemel te houden.

Twee stuwraketjes van 25N worden gebruikt om de spin-as en de stand ten opzichte van de aarde te regelen. Twee kleinere stuwraketjes van 2,5 N staan loodrecht op de spin-as en zorgen voor de juiste oost-west positie.  Geostationaire satellieten hebben de neiging om langzaam uit hun baan naar het oosten af te drijven en moeten daarvoor af en toe weer op de goed plek gezet worden. Dat doet men als de afwijking één graad bedraagt. Dit gebeurt zo eens in de vijf maanden.
Meteosat bevat naast het belangrijkste instrument, de radiometer, ook nog communicatiemogelijkheden, zoals de heruitzending van bewerkte foto's, en APT (Automatic Picture Transmission) uitzendingen, die door eenvoudige stations (en amateurs) te ontvangen zijn.

 

 

Op het grondstation kan men uit de beeldgegevens de volgende meterologische parameters produceren:

De satelliet bestaat uit een cilinder met een diameter van 2,1 m. De lengte is 3,195 m. De massa is aan het begin van de reis 720 kg. De Meteosat draait om zijn eigen as en wel met een toerental van 100 omwentelingen per minuut. De lengteas loopt bijna gelijk met de noord-zuid as van de aarde.
Onderaan de satelliet bevindt zich een holte met daarin de koeler voor de detectors van de radiometer. Die houdt de temperatuur op 90 graden K (dus 183 graden C onder nul). Heel af en toe wordt de omgeving van de sensors met elektrische verwarmingselementen flink opgewarmd,om door de hogere temperatuur waterdamp uit de omgeving van de IR sensors te verdrijven.

Voor communicatie met de aarde worden de volgende radio banden gebruikt:

De S-band (1670 - 2110 MHz) wordt gebruikt om het ruwe beeldmateriaal via de roterende antenne naar de aarde te versturen. En om het bewerkte materiaal weer naar andere gebruikers stations te sturen.
Deze S-band wordt ook gebruikt voor plaatsbepaling en telemetrie (gegevens over de "gezondheid" van de satelliet). En ten slotte wordt deze band gebruikt voor het opvragen van de gegevens van Data Collecting Platforms (DCP). Dat zijn (semi)automatische weerstations.

De UHF band (400 - 470 MHz) wordt ook gebruikt bij opvragen van de DCP gegevens. VHF (137 - 149 MHz) wordt gebruikt tijdens de lancering en is tevens een backup mogelijkheid voor de S-band.
In totaal heeft de eerste generatie Meteosat 86 communicatiekanalen.

De energievoorziening wordt verzorgd door ruim 16.000 silicium zonnecellen van 2 bij 2 cm. Omdat een van de zonnepanelen een uitsparing heeft voor de radiometer, varieert de energievoorziening 2 % tijdens elke omwenteling. De energie is bij een nieuwe Meteosat 280 Watt, maar na 3 jaar bedrijf is dit nog maar 200 Watt. De overtollige energie wordt in een Nicad batterij van 7 Ah bewaard. De boordspanning (geregeld) is 28 volt. Deze opslag van energie komt goed van pas tijdens de eclipsen, als de aarde het zonlicht blokkeert. dit gebeurt in de periode van 1 maart tot 15 april en van 1 september tot 15 oktober tussen 23.00 en 01.00 uur GMT. Tijdens een eclips worden de meeste functies van de Meteosat uitgeschakeld.

camera's

Het hart van Meteosat 1 (en opvolgers) bestaat uit een radiometer. Dit is een korte telescoop, waarbij de door de aarde teruggekaatste straling op een spiegel valt met een middellijn van 40 cm. Daarna wordt het weer teruggekaatst naar de secundaire spiegel die het vervolgens naar een spiegel (" 1st folding mirror in de tekening links. Vandaar wordt de straling weerkaatst via nog een aantal spiegels. De spiegels 3 en 3" dienen om het systeem te kunnen scherpstellen na een commando vanaf de aarde. Na de vierde spiegel gaat de Infrarode (IR) straling regelrecht naar de IR detectors en het zichtbare licht via een scheidingsspiegel naar de detectoren voor zichtbaar licht (VIS detectors).

De IR opnamen wordt gebruikt als het voor de Meteosat zichtbare gedeelte van de aarde zich geheel of gedeeltelijk in de schaduw bevindt. Overdag worden ook de detectoren voor zichtbaar licht (VIS) gebruikt. En dan is er nog een speciaal IR kanaal dat de verdeling van waterdamp in de atmosfeer waarneemt. 

Het scansysteem van de Meteosat tast de aardbol af met 100 lijnen per minuut, omdat de spinsnelheid 100 omwentelingen per minuut bedraagt. Elke lijn levert tegelijkertijd gegevens op over straling in drie kanalen:

Het blikveld van de zichtbaar licht telescoop is 0,065 mrad, wat overeenkomt met een oppervlakte van 2,5 bij 2,5 km op aarde. De IR detectors hebben een blikveld van 5 bij 5 km.

Het scannen van de hele aardbol gebeurt eigenlijk doordat een stappenmotor de telescoop steeds een stukje verdraait na elke omwenteling. Een hele opname van de aarde duurt 25 minuten. Op die manier wordt er een beeld van de aarde gemaakt dat uit 2500 lijnen bestaat. Hierna heeft de Meteosat 2,5 minuten de tijd om de telescoop weer terug te draaien en tijdens die periode worden ook de IR sensoren geijkt. Nog eens 2,5 minuut wordt gebruikt om de satelliet opnieuw te stabiliseren. Dan begint de volgende opname. Zodoende maakt Meteosat elk half uur een nieuwe weerfoto.

Het kan niet anders of de radiometer van de Meteosat neemt af en toe ook de zon waar. De detectors worden echter niet beschadigd omdat de tijd dat de zon in beeld is maar heel kort is. Bovendien is de temperatuur van de detectors heel laag.

Alle meetinstrumenten, of het nu een keukenwekker, thermometer of een ingewikkeld instrument is, moet worden gecalibreerd, ofwel geijkt.
Je neemt een nauwkeurig instrument en vergelijkt de aanwijzingen van het nieuwe instrument met die van het bekende instrument. In de ruimte gaat dat wat lastiger, maar het kan uitstekend. En omdat een instrument langzaam andere waarden aan kan wijzen, door het gebruik, of slijtage, moet het af en toe opnieuw gecalibreerd worden.

De IR sensoren moeten ook af en toe gecalibreerd worden. Daarvoor worden de afbuigspiegels gebruikt. Een elektrische motor kan naar keuze twee spiegeltjes in het blikveld van de IR sensors brengen. Een spiegel is hol en kan het beeld van de sensor op hemzelf terugkaatsen, zodat hij zichzelf "ziet". De temperatuur van deze sensor is bekend, zodat die temperatuur een maatstaf bij de ijking is. Dezelfde spiegel bevat tevens tevens een gaatje waardoor zonlicht kan passeren voor de calibratie op de zon, een warm punt op de calibratielijn.

De tweede spiegel kan een inwendig zwart lichaam -waarvan de temperatuur bekend is- op de IR sensors reflecteren. De temperatuur van het zwarte lichaam (met een nauwkeurigheid van 0,2° K) wordt naar de aarde geseind. Al deze gegevens zorgen ervoor dat afwijkingen verwerkt kunnen worden in de opnamen en metingen.

Door het systeem van de Meteosat zijn de "ruwe" foto's vervormd. Dat is met computers gemakkelijk te corrigeren en de bewerkte opnamen worden weer naar de Meteosat gestuurd om ze vervolgens weer door te sturen naar gebruikers van de foto's.

resultaten

Hieronder staan drie opnamen die tegelijkertijd gemaakt zijn door een Meteosat.

IR wordt gebruikt om temperaturen te meten en om de bewolking 's nachts zichtbaar te kunnen maken. Vergelijk de verdeling van de waterdamp (dus vaak ook wolken) eens met de IR of VIS opnamen. Hoe witter, hoe meer waterdamp. Dat kun je goed aan de bovenkant zien, waar een depressie op de oceaan ligt.

 

 

 

 

 

VIS - zichtbaar licht IR - infrarood waterdamp spectrum
 


Alle Meteosats zijn bedoeld voor de positie op de evenaar op nul graden op de nul meridiaan. Soms worden ze even op een positie meer oostelijk of westelijk geplaatst. Zij zijn dan "stand-by". Ook satellieten die al een tijdje gewerkt hebben worden vaak enige tijd op een stand-by positie geplaatst. Hun laatste plaats is de "junk orbit", ofwel de vuilnisbaan.

Samen met de geostationaire Amerikaanse GOES West en East, de Chinese FY-2 en de Japanse MTSAT vormen deze satellieten een sluitend netwerk om de aarde. De waarnemingen van de geostationaire satellieten worden aangevuld door de weersatellieten in lagere banen, zoals de NOAA satellieten. Zij kunnen betere foto's maken van de gebieden aan de rand van de aardbol (kijk maar eens hieboven naar Europa. Dat ligt toch erg aan de rand. Nadeel is, dat die satellieten niet om het half uur een foto van hetzelfde gebied kunnen maken. De geostationaire satellieten kunnen dat wel. De tweede generatie zelfs een foto per 15 minuten.

Het controlecentrum van Meteosat is in het Duitse Darmstadt.

tweede generatie

De tweede generatie Meteosat weersatellieten (Meteosat 8 t/m 11) zijn aanzienlijk groter. De hoogte bedraagt nu 2,4 m. en de diameter 3,2 m. De massa is nu 2010 kg.De energie die opgewekt wordt is nu 600 Watt, de spinsnelheid is nog steeds 100 omwentelingen per minuut, en het belangrijkste verschil is dat de radiometer nu 12 kanalen heeft. Vier in zichtbaar licht en acht in de IR banden. Vooral de waarnemingen in het IR gebied zijn uitgesplitst in meer golflengten.

De resultaten van de tweede generatie is tien maal beter dan de eerste. Nu levert de Meteosat elke 15 minuten een beeld. Dat is dus een verdubbeling. De resolutie is nu 1 km in de zichbare kanalen (Dus men kan op aarde details ter grootte van 1 km nog zien) en 3 km in alle andere kanalen.

Met de apparatuur van de nieuwe generatie hoopt men nog meer informatie te krijgen over de werking van de atmosfeer.
Omdat de satellieten van de generatie totaal nieuw zijn, krijgen ze ook een ander volgnummer.

Meteosat 10 wordt gelanceerd in 2011 en Meteosat 11 in 2013. Eigenlijk hebben we het bij de tweede generatie over MSG 1 t/m 4 (waarbij MSG 1 Meteosat 8 is.) Pas als de satellieten goed werken, krijgen ze de naam Meteosat.

Hieronder nog een fraaie opname in zichtbaar licht door Meteosat 9, op 30 juni 2009. Deze foto maakt meteen duidelijk, dat men 's nachts meer heeft aan IR opnamen.

 

derde generatie

Die begint met Meteosat 12. De derde generatie ziet er heel anders uit:

De Flexible Combines Imager (FCI) moet het nog beter doen dan de scanner van de eerste en tweede generatie. Dat moet vooral de waarnemingen van wolken, aerosols, vocht en vuur verbeteren door een uitbreiding van het aantal kanalen. Ook moet de resolutie in IR straling beter worden. De FCI kan heel snel opnamen maken in een resolutie van 500 m (op de grond), en doet dat maar liefst elke 2,5 minuten. 
Dat betekent opnamen van Europa,en Noord-Afrika. Zo heeft men bijna een 'realtime' beeld. Het kan ook gedetailleerder, dan kan er elke 10 minuten een opname gemaakt worden. 

De Infrared Sounder (IRS) betekent een doorbraak van metingen aan waterdamp in horizontale en verticale richting, Het levert een nog niet eerder vertoonde bron van informatie op het gebied van de dynamische en thermodynamische bewegingen van de atmosfeer. Hiermee kan men o.a. het onderzoek naar vervuiling ondersteunen.

De Lightning Imager (LI) levert voortdurend en bijna simultaan metingen van bliksem over de voor de satelliet zichtbare aardschijf. Men kan hiermee een vroege waarschuwing geven voor gevaarlijk weer en daarmee vliegtuigroutes omleggen. Dit vermindert het risico van onweersstormen. Het draagt ook bij aan het waarnemen van neerslag en ondersteunt toepassingen die te maken hebben met de atmosferische en chemische processen en het klimaat.

Men verwacht met de derde generatie Meteosats een betere voorspelling van stormen te krijgen waarbij ook de weersverwachtingen beter worden.

Eigenlijk is Meteosat 12 niet één satelliet, maar drie. Er zijn twee "imaging" satellieten, die leveren beelden op. De derde satelliet doet aan "sounding" dus er wordt gepeild.

Omdat de nieuwe Meteosats sterk afwijken van de eerste en tweede generatie, breid ik deze pagina niet verder uit.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/