Zprávy ze světa

B7bcb_illustration
27.02.2021

Družice Sentinel-6A...

… se po úspěšném vynesení raketou Falcon-9 připravuje měřit výšky hladin moří a oceánů.

Družice Sentinel-6A je vybavená radarovým výškoměrem, kterým bude po dobu několika roků opakovaně měřit vzdálenost mezi její známou oběžnou dráhou od proměnlivých hladin světových moří a oceánů. Hlavním cílem je zaznamenání dlouhodobých trendů.
Globální a opakovaná měření výšek hladin moří a oceánů nejsou pouhým sběrem dat
pro vědce, v důsledku globálního oteplování se přesné informace o aktuálním stavu
a na nich založené a otestované předpovědi dalšího vývoje stanou klíčovými informacemi pro všechny přímořské země, které se podle nich budou muset začít včas a dostatečně připravovat na očekávatelnou budoucnost.
Ačkoliv tání plovoucího mořského ledu hladiny nezvyšuje, obrovské množství ledu se nachází v ledovcích na pevninách, jako je zaledněná Antarktida nebo Evropě blízké Grónsko. Voda z tajících pevninských ledovců nejenom postupně zvyšuje hladiny pozemských vod, ale navíc zvýšené proudění této sladké vody mění dosud spolehlivě
a pravidelně fungující procesy, jako jsou mořské proudy. Spouští se tím celý řetěz příčin
a následků, které jsou pak příčinou dalších změn. Některé takto vyvolané procesy mohou původní příčiny ještě zpětně posilovat, jiné zeslabovat.
Některé možné následky mohou vypadat i neočekávatelně a paradoxně. Jako příklad lze uvést scénář náhlého roztání ledu v Grónsku, kdy by tento příval sladké vody mohl zeslabit a odklonit teplý Golfský proud, který výrazně ohřívá Evropu a kterému vděčíme za to, že je v Evropě podstatně teplejší a příjemnější počasí, než je tomu na stejných zeměpisných šířkách například v Kanadě. Ve výsledku by tak zdánlivě paradoxně mohlo globální oteplování vyvolat v Evropě dloluhé chladné období.
Celosvětově se stále více potvrzuje, že globání oteplení se nebude projevovat jen jako pouhé poklidné stoupnutí průměrných teplot o několik stupňů, ale hlavně nárůst energie
v globálním systému poruší rovnováhu dosud fungujících procesů a projeví se mnohem častějším a delším výskytem extrémních jevů, kdy například dlouhé období sucha může být náhle následováno obdobím intenzivních dešťů a rozsáhlých záplav.
Pro nízko položené oblasti přímořských států by kombinace neobvykle silných bouří
při neobvykle vysoké hladině moře mohly mít devastující účinky. Svého času velice známá událost z roku 2005 (kdy při hurikánu Katrina ochranné hráze neudržely řeku Mississippi
v jejím korytě a byla zaplavená velká část New Orleans) by se v budoucnosti mohla jevit jen jako malé a nevyslyšené varování před dalšími, mnohem rozsáhlejšími a horšími událostmi.
Některé modely ukazují, že extrémní události spojené s vysokou hladinou moře, které se dosud v průměru staly jednou za století, by okolo roku 2050 mohly nastávat v průměru jednou ročně.
Za poslední tři desetiletí se hladiny zvedaly v průměru o 3.2 mm ročně, celkem od 90. let 20. století do současnosti o zhruba 9 cm, což už není zanedbatelná hodnota.
Navíc se zdá, že se tato rychlost zvedání hladiny moře ještě nadále významně zvyšuje.
Dosud spolehlivé ochranné hráze dlouhodobě budované přímořskými státy, jako je Nizozemsko, tak brzy přestanou svou výškou stačit. Tyto země se tak musí rozhodnout, kde včas zahájí dlouhý závod o zvyšování zábran a zlepšování ochranných prostředků
a v kterých územích bude lepší už předem rezignovat a tyto oblasti vyklidit.
Je tak zřejmé, že co nejpřesnější data pro co nejvěrohodnější předpovědní modely jsou zcela zásadní, protože rozdíl pár centimetrů výšky mořské hráze bude brzy znamenat rozdíl mezi dočasným bezpečím a nebo rozsáhlou katastrofou.
Pozemské stanice pro průběžná měření výšek hladin nejsou ani dostatečně početné
ani rovnoměrně rozmístěné a navíc dosavadní předpovědní modely, založené spíše jen
na dosavadních zkušenostech a pozorováních, než na podrobných fyzikálních modelech, přestávají v měnícím se světě fungovat.

Obr.: Družice Sentinel-6A má rozměry 2.35 m x 4.17 m x 5.30 m a hmotnost 1191 kg, dopravena byla na oběžnou dráhu ve výšce 1336 km s inklinací 66°. Zdroj: NASA

Obr.: Družice Sentinel-6A má rozměry 2.35 m x 4.17 m x 5.30 m a hmotnost 1191 kg, dopravena byla na oběžnou dráhu ve výšce 1336 km s inklinací 66°. Zdroj: NASA

Nová americko-evropská družice Sentinel-6A Michael Freilich pokračuje v téměř třicetileté řadě družicového měření hladiny moře zahájené americko-evropskou družicovou misí TOPEX/Poseidon v roce 1992 a pokračující družicemi Jason-1, 2 a 3.
Družice Jason-3, která byla vypuštěna v roce 2016, je v době zprovozňování družice Sentinel-6A stále ještě funkční, ale v roce 2021 jí končí její plánovaná technická životnost 5 roků provozu.

Nová družice Sentinel-6A v první polovině roku 2021 prochází obdobím zprovozňování, kalibrace přístrojů, pořizování prvních zkušebních dat a jejich ověřování, mimo jiné také porovnáním s daty z předchozí družice a údaji z pozemských stanic.
Po ukončení těchto zkoušek někdy okolo poloviny roku 2021 je pro družici náplánován přechod do plnohodnotného provozu.

Označení družice Sentinel-6A tuto družici zahrnuje do evropského programu Copernicus, jehož různorodé družice nesou jméno Sentinel a družice nesoucí různé přístroje se odlišují číslicí za jménem. Pokud se plánuje vypuštění několika (víceméně) identických družic, tyto téměř identické exempláře se pak ještě odlišují dalším písmenem.
V USA se družice Sentinel-6A také někdy alternativně označuje jménem Jason-CS-A, kde CS znamená pokračování služby (z angl. Continuity of Service) výše zmíněných družic Jason.
Plné oficiální jméno této družice ale zní Sentinel-6A Michael Freilich, na památku amerického oceánografa Michaela H. Freilicha, který byl odborníkem v oblastech mikrovlnného dálkového průzkumu oceánů a modelování povrchových vln.
V letech 2006 až 2019 byl Michael H. Freilich ředitelem oddělení věd o Zemi v americké agentuře NASA. Michael H. Freilich také hrál klíčovou roli při sjednávání mezinárodní spolupráce pro tuto misi. Startu této družice na oběžnou dráhu se ale nedožil, bohužel zemřel 5. srpna 2020 ve věku 66 let následkem rakoviny slinivky.

Družice Sentinel-6A Michael Freilich odstartovala na oběžnou dráhu 21.11.2020 v 18:17 ze startovacího komplexu 4E na Vandenbergově letecké základně (Vandenberg Space Launch Complex 4E ), v nákladovém prostoru rakety Falcon-9 americké soukromé společnosti Space-X, pro kterou byl tento start dalším úspěchem, o to víc, že se z rakety její první stupeň s označením B1063 úspěšně vrátil zpět na pevninskou přistávací plochu u základny. Bude tak patřit k dalším úspěšným prvním stupňům raket Falcon-9, které budou znovu použity k dalším startům.

Obr.: Start rakety Falcon-9 s družicí Sentinel-6A Michael Freilich  21.11.2020. Zdroj: NASA

Obr.: Start rakety Falcon-9 s družicí Sentinel-6A Michael Freilich 21.11.2020. Zdroj: NASA

Předchozí družici Jason-3 (o hmotnosti 553 kg) vynesla 17. ledna 2016 také raketa Falcon-9 a i tehdy se první stupeň rakety pokusil o návrat a přistání, pouze to tehdy nebylo na pevnině, ale na plovoucí plošině. Samotný sestup a přistání proběhlo hladce, ale zámek na jedné ze čtyř přistávací noh se nezajistil, takže po přistání stupeň spadl
a explodoval.
Ale už za necelé tři měsíce 8. dubna 2016 se při jiném startu (vynesení automatické zásobovací lodě Dragon se zásobami pro Mezinárodní vesmirnou stanici) první měkké přistání stupně Falcon-9 na námořní plošině podařilo a takto úspěšně zachráněný stupeň byl jako první znovu použit při dalším startu 30. března 2017 pro vynesení komunikační družice SES-10.
Společnost Space-X tak po náročném vývoji a několika neúspěšných pokusech se znovupoužíváním prvních stupňů raket Falcon-9 uspěla, na rozdíl od jejich raket Starship, kde se ani počátkem roku 2021 zatím stále ještě bezpečné přistání nepodařilo.
Pro konkrétní první stupeň s číslem B1063, který jako součást rakety Falcon-9 posloužil poprvé při vynesení družice Sentinel-6A, se jeho další použití plánuje na prosinec 2021, kdy by měl vynést pro NASA sondu DART, jejímž cílem je měsíc planetky Didymos.

Obr.: Přistání prvního stupně s označním B1063 jako recyklovatelné části rakety Falcon-9 po úspěšněm vynesení družice Sentinel-6A Michael Freilich. Zdroj: NASA

Obr.: Přistání prvního stupně s označním B1063 jako recyklovatelné části rakety Falcon-9 po úspěšněm vynesení družice Sentinel-6A Michael Freilich. Zdroj: NASA

Po úspěšném vynesení na oběžnou dráhu začíná pro družici několik měsíců trvající období postupného zprovozňování a zkoušení systémů. Pro základní systémy jsou klíčové první dny, pro plnou kalibraci vědeckých přístrojů a ověření naměřených údajů je třeba několik měsíců.
Operátoři vyslali signál k zapnutí radarového výškoměru 30. listopadu 2020 a družice Sentinel-6A Michael Freilich začala zkušebně pořizovat první výšková data. Kvalita prvních dodaných dat byla vysoko hodnocena, takže pro prezentaci na Evropském vesmírném týdnu (European Space Week) byla vytvořena mapa srovnávající data vytvořená 5. prosince 2020 z přeletů družice Sentinel-6A oproti podkladu vytvořeném
z dat získaných družicí Jason-3 a starších evropských družic Sentinel-3A a Sentinel-3B. Družice Sentinel-6A zcela splnila očekávání a pořízená data jsou hodnocená jako velmi čistá s minimem šumu.

Obr.: Data v této grafice představují porovnání prvních měření výšky mořské hladiny z přeletů družice Sentinel-6A Michael Freilich s podkladovou mapou vytvořenou na základě dat z družic Jason-3, Sentinel-3A a Sentinel-3B. Ukazují oceán u jižního cípu Afriky, přičemž červené barvy označují vyšší hladinu moře vzhledem k modrým oblastem, které jsou nižší. Zdroj: © contains modified Copernicus Sentinel data (2020), processed by Eumetsat

Obr.: Data v této grafice představují porovnání prvních měření výšky mořské hladiny z přeletů družice Sentinel-6A Michael Freilich s podkladovou mapou vytvořenou na základě dat z družic Jason-3, Sentinel-3A a Sentinel-3B. Ukazují oceán u jižního cípu Afriky, přičemž červené barvy označují vyšší hladinu moře vzhledem k modrým oblastem, které jsou nižší. Zdroj: © contains modified Copernicus Sentinel data (2020), processed by Eumetsat

Družice Sentinel-6A nese konkrétně dvoufrekvenční radarový výškoměr Poseidon-4 (pracující v pásmech C a Ku) využívající inovativní prokládaný režim, který poskytuje kvalitativní zlepšení výsledků oproti předchozím modelům. V základním principu radarový výškoměr odvozuje svoji výšku nad Zemí měřením času, za který se vyslaný radarový impulz po odrazu od zemského povrchu vrátí zpět do přístroje. Z přesné znalosti momentální polohy družice lze pak odvodit výšku povrchu, od kterého se signál odrazil. Použitím Dopplerova principu lze dále odlišovat odrazy, které se k pohybující se družici vrací z různých směrů.
Pouhým měřením času mezi vysláním a návratem signálu to ale nekončí. Intenzita radarového impulzu odraženého od mořské hladiny má tvar vlny a z tvaru této vlny lze vyčíst další informace, jako je výška vln na mořské hladině a nebo dokonce rychlost větru nad touto hladinou. Klidná rovná vodní hladina totiž odráží tyto radarové impulzy jinak, než hladina zvlněná a ještě jinak pak hladina zčeřená různě silným větrem.

Obr.: Podle doby, za kterou se vrátí od hladiny odražený signál, se určí výška hladiny, podle sklonu křivky síly odraženého signálu výška vln, podle zeslabení signálu síla větru vanoucího nad hladinou, protože větrem rozčeřená hladiny rozptyluje signál více do všech směrů a vrací se tak signál slabší. Zdroj: ESA/ATG medialab

Obr.: Podle doby, za kterou se vrátí od hladiny odražený signál, se určí výška hladiny, podle sklonu křivky síly odraženého signálu výška vln, podle zeslabení signálu síla větru vanoucího nad hladinou, protože větrem rozčeřená hladiny rozptyluje signál více do všech směrů a vrací se tak signál slabší. Zdroj: ESA/ATG medialab

Tento radarový výškoměr vyvinutý Evropskou kosmickou agenturou ESA je založený
na přístroji pro starší družici Sentinel-3 SARL, ale s konstrukcí vylepšenou tak, aby umožňovala prokládaný pracovní režim kombinující režim radaru se syntetickou aperturou (SAR) a režim s nízkým rozlišením (LRM) založený na pulzním výškoměru.
Při tomto prokládaném režimu se zprůměrováním celé sady měření podél trasy průletu družice horizontální prostorové rozlišení pořizovaných výškových dat zlepšuje z několika kilometrů na výsledných 300 metrů (tj. ve výsledku bude jeden výškový údaj pro území velikosti 300 metrů).
Dlouhodobým opakovaným měřením během mnoha průletů se pak dosahuje přesností umožňující zaznamenat dlouhodobé změny průměrné výšky vodní hladiny bez ohledu
na momentální odchylky způsobené šumem nebo jinými dočasnými vlivy, jako je počasí, příliv a odliv a podobně.
Opakovatelnost měření stejného území je pro družici Sentinel-6 10 dní, družice je ze svojí dráhy schopná změřit 95% ploch volných (tj. nezaledněných) hladin moří a oceánů.

I když družice Sentinel-6A bude dodávat kvalitativně lepší data než předchozí družice, pro sledování dlouhodobých trendů je neméně důležitá porovnatelnost dat pořizovaných všemi těmito družicemi. Družice Sentinel-6A proto letí ve vzdálenosti 230 km za družicí Jason-3 a měří tak stejná území jako tato družice s časovým odstupem 30 vteřin.
Porovnání těchto dat bude sloužit ke kalibraci a společně s dalšími daty, včetně dat
z pozemních zdrojů, k verifikaci přesnosti dat z nové družice a hlavně zajistí návaznost měření pro pokračování dlouhodobé řady družicového měření výšek hladin.
Konkrétní úrovně uživatelům dodávaných dat, jejich prostorové rozlišení a přesnost výšek se ještě budou upřesňovat na základě výsledků všech prováděných testů.

Kromě výše popsaného radarového výškoměru Poseidon-4 družice Sentinel-6A nese ještě další přístroje, z nichž pro měření radarový výškoměrem je také podstatný mikrovlnný radiometr AMR-C (z angl. Advanced Microwave Radiometer for Climate monitoring) měřící množství vodní páry ovlivňující šíření radarových vln.
Pro přesné určení aktuální pozice družice je určena celá sada přístrojů souhrnně označovaná jako POD (z angl. Precise Orbit Determination).
Hlavními dvěma je GNSS-POD (z angl. Global Navigation Satellite System – Precise Orbit Determination) používající pro určení polohy signály z okolních navigačních družic a DORIS (z angl. Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) využívající navigační signály z pozemních stanic.
Další přístroj s názvem GNSS-RO (z angl. Global Navigation Satellite System – Radio Occultation) na družici Sentinel-6A pak například zjišťuje vertikální profil zemské atmosféry pozorováním změn radiových signálů navigačních družic při průchodu těchto signálů zemskou atmosférou. Přestože tento přístroj nemá přímou souvislost s primárním výškoměrným úkolem této mise, data z tohoto přístoje lze také použít pro další zpřesnění znalostí skutečné oběžné dráhy družice.
Dalším je laserový odražeč LRA (z angl. Laser Retroreflector Array) konstrukčně se skládající z 9 přesných zrcadel, které na principu koutového odražeče (nebo dopravní odrazky), odrážejí ze Země vyslaný laserový paprsek směrem přesně zpět k odesílateli, který si tak podle směru a času mezi vysláním a návratem signálu může spočítat vzdálenost družice od jeho pozemní stanice. Obecnou výhodou takových součástek je, že jsou kompletně pasivní, nepotřebují žádnou elektrickou energii a (pokud nejsou vysloveně fyzicky zničené například nárazem) byly by použitelné i v případě kompletního selhání systémů družice a pozemní stanice by si tak mohly udržet nadále přesný přehled o její aktuální oběžné dráze. Při stále rostoucím počtu družic a různého dalšího odpadu je to podstatné pro předcházení vzájemných srážek.

Podle plánu bude první data výšek hladin měřené z družice Sentinel-6A uvolněná uživatleům v polovině roku 2021 (tj. 6 měsíců od startu družice), do plného provozu družice přejde 12 měsíců od startu, až bude ukončena validace a porovnání dat pořizovaných při tandemovém letu společně s předchozí družicí Jason-3.

Především ale budou družicová data pokračující v dlouhodobé řadě sloužit k dalšímu zpřesňování výsledků předpovědních modelů budoucího vývoje.

Obr.: Vzrůst hladiny moří podle údajů z pozemských měřidel výšek hladin od roku 1900 a jejich porovnání s údaji z družic získávanými od roku 1996. Zdroj: NASA Earth Observatory, data PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level)

Obr.: Vzrůst hladiny moří podle údajů z pozemských měřidel výšek hladin od roku 1900 a jejich porovnání s údaji z družic získávanými od roku 1996. Zdroj: NASA Earth Observatory, data PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level)

Globální rozsah družicových dat má oproti měření na omezeném počtu pozemských měřicích stanic zásadní výhodu. Vědcům je totiž známo, že ačkoliv hladina moře stoupá po celém světě, na některých místech je to více než jinde. Například v Tichém oceánu je to více než v Atlantiku, protože je Tichý oceán (Pacifik) teplejší a méně slaný.
Celkem se odhaduje, že globálně za posledních 140 let stoupla hladina o 21 až 24 cm, od roku 1992 (kdy odstartovala družicová mise TOPEX) o cca 9.5 cm.
Na zvýšení vodní hladiny se mezi roky 1993 až 2015 mělo podílet ze 43% teplotní rozpínání a ze 45% tání ledu (21% horské ledovce, 16% grónský led, 8% antarktický led).
Za celé 20. století hladina stoupala o 1.5 mm ročně, v 90. letech o 2.5 mm ročně,
ale za posledních 30 let už v průměru o 3.4 mm ročně.
Přestože zvýšení hladiny o pár milimetrů ročně se může zdát bezvýznamné, v reálu hladina vyšší o 2.5 mm znamená na plážích posun moře o 2,5 metru do vnitrozemí.
Obyvatelstvo žijící v pobřežních oblastech a nebo na plochých atolech se tak dostává
do stále většího ohrožení, každý jeden centimetr zvýšení hladiny uvrhne do nebezpečí každoročních záplav další zhruba 3 miliony obyvatel Země.
Podle některých modelů pokud bude ohřívání vodstva a tání ledovů pokračovat, do roku 2100 se hladiny zvednou o dalších 65 cm.
Nakolik jsou tyto modely přesné a kdy se mohou naplnit lze posoudit jen dlouhodobým sledováním aktuálního vývoje.

Družice Sentinel-6A Michael Freilich vznikla jako výsledek mezinárodní spolupráce těchto organizací:
- Evropská kosmická agentura ESA (z angl. European Space Agency),
- americký Národní úřad pro letectví a vesmír NASA (z angl. National Aeronautics and Space Administration),
- Evropská komise (nadnárodní orgán Evropské unie, angl. European Commission),
- Evropská organizace pro výzkum meteorologickými satelity EUMETSAT (z angl. European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites),
- americký Národní úřad pro oceán a atmosféru NOAA (z angl. National Oceanic and Atmospheric Administration),
- francouzské Národní centrum kosmického výkumu CNES (z franc. Centre national d’études spatiales).

Hlavním výrobcem družice byla evropská nadnárodní společnost Airbus Defence and Space.

Štafetu v budoucnu převezme družice Sentinel-6B, jejíž start se plánuje na rok 2026, kdy se bude současné družice Sentinel-6A chýlit ke konci plánovaná technická životnost
5.5 roku provozu.

Odkazy na starší články o některých ostatních družicích evropského programu Copernicus jsou zde:
Sentinel-3B, Sentinel-5P a Sentinel-2B.

Článek zpracoval: Jiří Šustera

 

nahoru

zpět