Sådan observerer vi Jorden fra rummet

Vildt avanceret udstyr

Når vi hører om rummissioner, er der ofte fokus på de fascinerende opsendelser. Men hvordan observerer vi egentlig klima, miljø og sikkerhed, når en klimasatellit er gået i kredsløb om Jorden? Hvordan fortolker vi de mange data fra satellitterne? Og hvad er der gået forud i forskernes og udviklernes laboratorier?

At udvikle og bruge rumudstyr kræver en tæt dialog mellem udviklerne af udstyret, og de forskere, der skal bearbejde alle de mange data, som udstyret kan indhente og sende til Jorden. For det første skal man udvælge de spørgsmål man ønsker at besvare, og de data, man derfor ønsker at indsamle. Så skal der udvikles udstyr, som kan hente disse data. Og ofte skal der bruges flere forskellige typer af data – og dermed forskelligt udstyr – for at belyse en problemstilling godt nok.

Andet udstyr skal sikre, at rumsonder og satellitter kan navigere korrekt og kommunikere med Jorden. Og udstyret skal kunne klare ekstreme belastninger i rummet, hvor blandt andet stråling og temperatur kan ødelægge teknologien, hvis den ikke er udviklet, så den netop kan klare de hårde vilkår. Der er med andre ord både store og mange forskelligartede udfordringer, når man sender en mission ud i rummet.

Hvor kredser satellitterne?

Satellitter kredser i forskellige baner

Satellitter, der observerer Jorden, befinder sig typisk i en af disse to vigtige typer af baner:

• Baner tæt på Jorden, som typisk ligger 300-800 km over Jordens overflade dog også op til 1000 km. De bruges især til jordobservation.
• Geostationære baner, som ligger cirka 36.000 km over ækvator. De følges ad med Jordens rotation og ligger dermed i det samme punkt set hernede fra Jorden. De bruges til telekommunikation som fx tv-signaler og til indsamling af vejrdata, som også er jordobservation.

Baner tæt på Jorden

De fleste satellitter, der observerer Jorden befinder sig i det man kalder LEO-baner, som står for Low Earth Orbit – altså baner tæt på Jorden. Da disse satellitter er omkring 300-800 km over Jordens overflade, kan de optage billeder og indsamle data med bedre rumlig opløsning end for eksempel de geostationære satellitter, der kredser 36.000 km over Jordens overflade.

Polære baner

Nogle af satellitterne, der kredser tæt på Jorden, befinder sig i det, man kalder polære baner. De bevæger sig tæt på eller direkte hen over Jordens poler, og deres baner går typisk fra nord til syd i stedet for fra vest til øst. En af fordelene ved de polære baner er, at den samme satellit kan dække hele Jordens overflade med flere overflyvninger fra højt mod nord til langt mod syd.

Satellitter, der kredser i en polar bane, har en vinkel på ækvator, der er ret konstant og tæt på 90 grader – altså næsten vinkelret på ækvator. Det gør, at satellitten kan hente data fra hele kloden – inklusive Nord- og Sydpolen. Den type data er svær at hente fra landjorden.

Jo tættere på Jorden en satellit er, desto smallere er den bane som den kan ”se”. Det kræver derfor flere overflyvninger at dække hele Jorden.

Sol-synkrone baner

Mange satellitter i polære baner er det, man kalder sol-synkrone. Det betyder, at satellitten passerer over det samme sted på Jorden på det samme tidspunkt af døgnet i hvert kredsløb.

En sol-synkron bane (SSO som er en forkortelse for Sun-synchronous orbit) er en bestemt slags polar bane. De er synkroniseret til altid at være i den samme faste position i forhold til Solen. Dette betyder, at satellitten altid passerer det samme sted på det samme lokale tidspunkt. Det kan for eksempel være at satellitten hver dag passerer Odense kl. 14.

Det er der flere fordele i. Det betyder for eksempel, at man kan sammenligne, hvordan et bestemt sted ændrer sig over tid. Det kan være fra dag til dag eller fra år til år. Når man skal undersøge, hvordan vejrmønstre opstår, eller hvordan havniveauet ændrer sig, så er det vigtigt, at de data man indsamler er taget under vilkår, der er så ens som muligt. Det gælder også tidspunktet på dagen. En satellit i en solsynkron bane vil normalt være i en højde på mellem 600 og 800 km.

Geostationære satellitter

En geostationær satellit befinder sig omkring 36.000 km over Jordens overflade.

Geostationære satellitter følger Jordens rotation og rejser med samme hastighed som rotationen. Af den grund vil det her fra Jorden se ud, som om satellitten står stille over det samme punkt på Jorden. Disse satellitter fanger hele tiden det samme billede af Jorden, og derfor kan den levere kontinuerte data fra det samme område på Jorden. En geostationær satellit kan observere næsten halvdelen af jordkloden i sit billede. Til gengæld har billedet ikke så høj rumlig opløsning, da satellitten er så langt væk fra Jorden.

En del vejrsatellitter og kommunikationssatellitter er geostationære.

Hvilken type data indhenter man fra satellitter?

Data fra Solens stråler

Solens stråler består af elektromagnetiske stråler med forskellige bølgelængder og frekvenser.

En lang række af de data, satellitterne indsamler, er stråler fra det elektromagnetiske spektrum, som reflekteres fra Jordens eller havets overflade og fra atmosfæren.

Synligt lys dækker et mindre område, som ligger i det elektromagnetiske spektrum mellem den kort- og langbølgede stråling. De langbølgede stråling er radio- og mikrobølger samt infrarøde bølger. Og de kortbølgede stråler er de ultraviolette stråler samt røntgen- og gammastråler, Vi mennesker kan kun se det synlige lys. Derfor må man bruge instrumenter og sensorer til at opdage og måle alle andre former for elektromagnetiske stråler. Inden for rumforskning og jordobservation er der udviklet udstyr, der kan observere hele det elektromagnetiske spektrum for at forstå processer her på Jorden og ude i rummet. Inden for klimaforskning observerer man kun stråler fra dele af det elektromagnetiske spektrum.

Noget lys absorberes - andet reflekteres

Nogle stråler bliver absorberet eller reflekteret af partikler i atmosfæren som for eksempel vandmolekyler og CO₂, mens andre bølgelængder passerer uhindret gennem atmosfæren. Synligt lys har bølgelængder, som kan transmitteres gennem atmosfæren. Mikrobølger har bølgelængder, der kan trænge gennem skyer, og det bruger man i mange overvågnings, vejr- og kommunikationssatellitter. Solen er den primære kilde til den energi og stråling, som satellitterne observerer. Mængden af Solens energi, som reflekteres fra Jordoverfladen afhænger af, hvor ru og kuperet overfladen er, og hvilket materiale overfladen består af. Overfladens evne til at reflektere Solens lys kaldes også overfladens albedo. Hvid sne kan for eksempel reflektere op til 90 % af den energi, der kommer fra Solen – det er en høj albedo. Derimod kan åbne havoverflader kun reflektere omkring 6 % af Solens energi, fordi de er mørke og absorberer energien. Når for eksempel havet og landjorden absorberer energi fra Solen bliver det sendt tilbage til atmosfæren – men nu som infrarød energi med en længere bølgelængde end det synlige lys.

Spektralt fingeraftryk

Alle ting på Jorden reflekterer, absorberer og viderefører energi. Omfanget afhænger af bølgelængden og materialet. Alt på Jorden har et unikt spektralt fingeraftryk. Den information kan forskere bruge til at identificere forskellige forhold på Jorden som for eksempel karakterisering af landbrugsafgrøder, naturlig vegetation og skove samt sten-typer og mineraler. I det enkelte udstyr og den enkelte sensor er der forskel på, hvilken type bølgelængder det kan opfange og måle. Det kalder man sensorens spektrale opløsning. Den bestemmer, hvor mange forskellige ting man kan skelne mellem, ud fra de data sensoren indhøster.

Hvor nøjagtige er de data, man indsamler?

Nøjagtigheden af data

Jo mere nøjagtige og nuancerede data vi kan indsamle, desto mere nøjagtigt kan vi også beskrive, de fænomener vi observerer på Jorden.

Nøjagtigheden har at gøre med det vi kalder opløsning. Opløsning handler om den mængde af data, vi kan indsamle fra et bestemt areal på Jorden.

Opløsning har betydning for, hvordan man kan bruge data fra en sensor. Opløsningen kan variere afhængigt af satellittens kredsløb/bane og sensorens design. Der er fire typer af opløsning, som man skal holde sig for øje i alle datasæt. Det er radiometrisk, rumlig, spektral og temporal opløsning. De er forklaret i det følgende.

Radiometrisk opløsning - graden af detaljer

Den radiometrisk opløsning handler om den mængde af information, der kan gemmes i hver enkelt pixel. Jo højere den radiometriske opløsning er, desto mere information kan man gemme, og jo flere detaljer og nuancer får man med i billedet. Når man for eksempel måler vandkvalitet, skal en sensor have en radiometrisk opløsning, der gør, at den kan skelne mellem ganske små forskellige i havets farve.

Billederne viser forskellen på de detaljer man kan når opløsningen i et satellitbillede er henholdsvis 2-bit, 4-bit og 8-bit. (NASA Earth Observatory/Joshua Stevens/Landsat/U.S. Geological Survey).

Rumlig opløsning - forskelle i fysiske størrelser

Rumlig opløsning er defineret ved det fysiske område på Jorden, som hver pixel i billedet repræsenterer. For eksempel måler MODIS udstyret om bord på klimasatellitten Terra de fleste bølgelængdeområder med en opløsning på 1 km. Det betyder, at hver enkelt pixel repræsenterer et areal på 1 x 1 km på jordoverfladen. MODIS foretager også målinger inden for andre bølgelængdeområder, der dækker 250 x 250 m eller 500 x 500 m i hver pixel. Jo bedre opløsning, desto flere detaljer kan du se. I billedet nedenfor kan du se forskellen på 30 m/pixel, 100 m/pixel og 300 m/pixel.

Data fra Landsat 8 fra 7. juli 2019 over Reykjavík, Island. (Illustration: NASA Earth Observatory).

Spektral opløsning - forskelle i bølgelængder

Spektral opløsning er sensorens evne til at skelne mellem små forskelle i bølgelængde. Mange sensorer er det man kalder multi-band-sensorer – det vil sige, at de dækker flere bølgelængdeområder. Jo smallere et område af bølgelængder en sensor observerer i, desto bedre er den spektrale opløsning.

Det øverste billede viser, hvordan et brandskadet område (lilla) på Jorden kan ses med en satellit, der observerer kortbølget infrarød stråling – altså varmstråling. Det nederste billede viser, hvordan det samme tidligere brandområde ikke kan ses i almindeligt synligt lys. (Foto: NASA).

Temporal opløsning - forskelle i tid

Temporal opløsning er den tid det tager for en satellit at færdiggøre et kredsløb og komme tilbage til det samme sted. Opløsningen afhænger af kredsløbets bane og sensorens kortlægningsbredde og bredde på det område, man observerer. Da geostationære satellitter matcher jordens egen rotationshastighed er den temporale opløsning meget bedre omkring 30 – 60 sekunder. Polare kredsløbssatellitter kan have en temporal opløsning, der varierer fra 1 dag til måneder. 

Man må kombinere fordele fra flere typer udstyr

Det er svært at bygge en sensor, der både har en høj radiometrisk, rumlig, spektral og temporal opløsning.

Hvis man for eksempel vil foretage observationer med god rumlig opløsning, må satellitten observere over en smal stribe på Jorden. Derfor kræver det flere overflyvninger at dække hele Jorden. Og det giver så igen større tidsmæssig afstand mellem de enkelte observationer, hvilket resulterer i en dårligere temporal opløsning.

For hver type observation må man vurdere, hvad der er vigtigst. Når man undersøger vejret, som er meget dynamisk over tid, så er det for eksempel kritisk at have en god temporal opløsning. Men når man undersøger sæsonvariationer i vegetationen, så kan man ofte nedprioritere den temporale opløsning til fordel for en bedre spektral og/eller rumlig opløsning.

Hver satellit har et bælte, som de kan observere i. Bælterne kan være mere eller mindre brede. Her er der tale om et bredt bælte. (Illustration: NASA).

Fortolkning af data

De data, man får fra instrumenter om bord på satellitter, kræver bearbejdning, før de kan bruges af forskere. De mange data skal for eksempel bearbejdes til kort og kurver, som kan give svar på spørgsmål inden for landbrug, overvågning af vandressourcer eller sundhed og luftkvalitet. Da den enkelte sensor ofte kun kan give svar på mere specifikke spørgsmål, vil man typisk have brug for at kombinere data fra flere forskellige sensorer og/eller satellitter. På den måde får man adgang til en kombination af data med forskellige spektrale, rumlige og tidsmæssige opløsninger. Og samlet set kan disse data belyse mere nuancerede spørgsmål.

Når data er bearbejdet til billeder, kan de danne baggrund for beslutninger om, hvordan vores ressourcer skal bruges, og hvordan katastrofer skal afhjælpes eller håndteres, hvis de allerede er opstået.