Meteorologische Satellitenbilder enthalten die neueste Technologie zur Vorhersage von Katastrophen!

Vor nicht allzu langer Zeit forderten die aufeinanderfolgenden Angriffe der Taifune Dusurei und Kanu große Opferzahlen und Sachschäden. Stellen Sie sich angesichts einer Katastrophe wie einem Taifun die folgenden zwei Situationen vor:

A: Über Ihr Mobiltelefon, Ihren Fernseher usw. können Sie jederzeit wissen, wo sich der Taifun befindet und welche Richtung er als nächstes einschlagen könnte. So können Sie rechtzeitig Vorräte anlegen und einen guten Katastrophenschutz leisten.

B: Ich weiß nur, dass es in dieser Jahreszeit Taifune gibt, und fälle dieses Urteil aufgrund von Erfahrung.

Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Ich glaube, jeder wird A wählen, oder? Das stimmt, genauso wichtig wie die Notfallrettung und Katastrophenhilfe ist die kontinuierliche Überwachung und Beobachtung des Wetters, um genaue Einschätzungen zu treffen und rechtzeitig Warnungen herauszugeben. Woher kommen also unsere Wetterdaten? Ein großer Teil der meteorologischen Daten stammt von Wettersatelliten am Himmel. Lernen wir etwas über Wettersatelliten und ihre grundlegenden Funktionsprinzipien!

Physikalische Grundlagen: Fernerkundung

Das Funktionsprinzip von Wettersatelliten ist die Fernerkundung, was, wie der Name schon sagt, „Fernwahrnehmung“ bedeutet: Nur schauen, aber nicht berühren, und berührungslose Mittel verwenden, um die verschiedenen Eigenschaften von Objekten zu erkennen.

Auch wenn es sich nach Hightech anhört, handelt es sich bei der Fernerkundung tatsächlich um eine grundlegende Funktion, über die jeder von uns verfügt. Wenn wir beispielsweise auf der Straße gehen, hören wir plötzlich hinter uns Schritte. Als wir uns umdrehen, ist es Xiao Li! Dabei handelt es sich um die Fernerkundungsfähigkeiten der Ohren und Augen.

Wenn wir das Problem allerdings etwas schwieriger gestalten, werden unsere angeborenen Fähigkeiten zur Fernerkundung nicht ausreichen. Ist beispielsweise das weiße Hemd, das Xiao Li heute trägt, aus reiner Baumwolle, Seide oder Chemiefaser? Um es herauszufinden, müssen Sie es mit der Hand kneifen, aber wenn Sie die Hand ausstrecken, handelt es sich um eine Kontakterkennung und nicht um eine Fernerkundung.

was zu tun? Wir können Instrumente um Hilfe bitten, um das Reflexionsspektrum von Xiao Lis Kleidung zu beobachten.

Was bedeutet dieses Wort? Wenn Licht auf ein Objekt fällt, werden einige Wellenlängen (Farben) des Lichts absorbiert und einige reflektiert. Wenn wir es mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchten, sehen wir unterschiedliche Helligkeiten. Das Aufzeichnen einer Kurve, die zeigt, wie sich die Helligkeit mit der Wellenlänge ändert, ist das Reflexionsspektrum.

Beispielsweise absorbieren Blätter rotes und blaues Licht und reflektieren grünes Licht. Das Grün, das wir sehen, ist das ungefähre Reflexionsspektrum der Blätter. Mithilfe von Instrumenten lässt sich dieses Spektrum noch weiter präzisieren, bis auf die Wellenlänge. Wenn wir Xiao Lis weißes Hemd im Infrarotbereich betrachten, zeigen verschiedene Rohstoffe unterschiedliche Infrarotspektren und wir müssen es nicht verdrehen.

Darüber hinaus strahlen alle Objekte elektromagnetische Wellen ab. Kalte Objekte haben längere Wellenlängen, während heiße Objekte kürzere Wellenlängen haben. Darüber hinaus weisen sie je nach Zusammensetzung des Materials unterschiedliche spektrale Verteilungen auf. Daher können durch Beobachtung des Strahlungsspektrums eines Objekts dessen Zusammensetzung und Temperatur bestimmt werden. Beispielsweise hat auf dem Mobiltelefon vor Ihnen jeder „weiße“ Pixel tatsächlich nur drei Farben: Rot, Grün und Blau, während echtes Sonnenlicht eine vollständige Farbpalette von Rot bis Lila aufweist.

Mikroaufnahme eines LCD-Bildschirms. Jeder Pixel besteht aus einer Kombination aus Rot, Grün und Blau.

Nachdem wir nun die Grundprinzipien der Fernerkundung verstanden haben, wollen wir uns ansehen, wie Wettersatelliten dies tun.

Was sehen Wettersatelliten?

Lassen Sie uns einen Wettersatelliten entwerfen. Was soll er beobachten? Was denken Sie?

Da es sich um einen Wettersatelliten handelt, sollte er zumindest in der Lage sein, gewöhnliche Satellitenwolkenbilder im sichtbaren Licht aufzunehmen. Dies ist die intuitivste Darstellung des Wetters. Wir können die Verteilung und Dicke der Wolken sehen. Wenn wir weiter beobachten, können wir auch den Zug der Wolken erkennen. Dabei handelt es sich um Daten, die die breite Öffentlichkeit verstehen und sogar analysieren kann. Daher sind sie notwendig und die Funktionen lassen sich relativ einfach implementieren.

Doch sichtbares Licht allein reicht nicht aus. Nachts versinkt eine Seite der Erde in Dunkelheit und die Wolken sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Um das Wetter rund um die Uhr kontinuierlich überwachen zu können, müssen wir daher auch eine Nachtsichtfunktion hinzufügen. Wir haben bereits gesagt, dass alle Objekte Strahlung aussenden. Wenn wir im Infrarot- oder sogar Mikrowellenbereich beobachten, können wir die Wolken nachts deutlich sehen.

Wolkenkarte aufgenommen von Fengyun 4A, links ist die Nachtansicht, rechts ist die Tagesansicht

Es scheint ganz einfach! Lassen Sie uns etwas tiefer gehen. Können wir den Daten vertrauen, die wir von Satelliten sehen? Warum konnten die Wolken, die es sah, nicht Schnee auf dem Boden sein? Wie kann man es von der Vulkanasche unterscheiden, die ein Vulkan ausstößt? Warum können die hellen Wolken, die wir nachts sehen, nicht die Lichter der Stadt sein?

Daher kommt hier das bereits erwähnte Fernerkundungsprinzip zum Einsatz. Indem wir die „Augen“ wissenschaftlicher Instrumente zur Durchführung einer Spektralanalyse verwenden, können wir nicht nur die Farbe eines Objekts sehen, sondern auch seine wahre Temperatur und Zusammensetzung kennen.

Natürlich beobachten Satelliten in Wirklichkeit komplexe, überlagerte Signale, egal ob es sich um sichtbares Licht oder Infrarot handelt. Beispielsweise bestehen die Wolken, die wir tagsüber sehen, aus dem von den Wolken reflektierten Sonnenlicht, der von den Wolken selbst abgegebenen Strahlung und der Hintergrundstrahlung von der Erde und der Atmosphäre. Dies erfordert die Entwicklung spezieller Algorithmen durch Fachleute, um diese drei Signale einzeln zu trennen und so genaue Informationen zu erhalten. Die von Satelliten beobachteten Wolken und die Atmosphäre weisen nicht nur visuelle Umrisse auf, sondern liefern auch detaillierte Informationen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Höhenverteilung, Zusammensetzung, Blitze und Gewitter usw.

Nachdem die verschiedenen von Wettersatelliten beobachteten Daten zur Erde zurückgesendet wurden, werden sie von Supercomputern übernommen und mithilfe numerischer Modelle werden Prognosen erstellt. Die seltsamen Tanzschritte des Taifuns Kanu sind das Ergebnis davon, dass er zwischen drei Hochdruckgebieten eingeklemmt ist. Am Ende entsprach Kanus Flugbahn der Prognose. Dies war das Ergebnis der engen Zusammenarbeit zwischen den präzisen Beobachtungen meteorologischer Satelliten und den numerischen Supercomputermodellen.

Dienen Wettersatelliten nur zur Wettervorhersage?

Die Grundprinzipien der Wettersatelliten ermöglichen es uns, unseren Horizont zu erweitern und mithilfe von Wettersatelliten viele interessante Dinge zu erforschen.

Beispielsweise können wir die Landwirtschaft mithilfe von Wettersatelliten überwachen. Die Temperatur und der Wassergehalt des Bodens können sich im Spektrum widerspiegeln, und das Reflexionsspektrum des Lichts der Vegetation kann das Chlorophyll, die Zellstruktur und den Wassergehalt bei verschiedenen Wellenlängen widerspiegeln. Verschiedene Pflanzen haben ihre eigenen Reflexionsspektren. Mithilfe der Satellitenfernerkundung können Bodenbeschaffenheit, Erntearten und -wachstum ermittelt und festgestellt werden, ob Schädlinge und Krankheiten vorhanden sind. Unsere Wettersatelliten „Fengyun“ verfügen über landwirtschaftliche Überwachungsfunktionen. Sie sind nicht nur für die Beobachtung von Wolken und das Erfassen des Wetters zuständig, sondern auch für die Bewachung der Landwirtschaft.

Wir können Wettersatelliten auch zur Überwachung des Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre verwenden. Während die Bodenstrahlung durch die Atmosphäre zum Satelliten gelangt, werden einige Wellenlängen von Kohlendioxid absorbiert. Durch die Analyse des Absorptionsspektrums können wir den Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre in verschiedenen Teilen der Welt verstehen und so eine wissenschaftliche Grundlage für die Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sowie für die wissenschaftliche und vernünftige Festlegung von Kohlenstoffemissionszielen schaffen. Der von China im Jahr 2022 gestartete Kohlenstoffsatellit „Jumang“ wird dieses Geschäft erledigen.

In Zukunft kann die Spektralanalyse nicht nur auf Wettersatelliten eingesetzt werden, sondern wir können sie auch verwenden, um das Universum zu erforschen und das Wetter auf anderen Planeten zu beobachten und zu studieren . Raumfahrzeuge mit dieser Funktion können in gewissem Maße als „Weltraumwettersatelliten“ betrachtet werden. Nehmen Sie zum Beispiel dieses Foto von Neptun, das vom Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurde. Triton oben links scheint Neptun vollständig in den Schatten zu stellen und könnte fast für einen Stern gehalten werden. Dies liegt daran, dass das Webb-Teleskop im Infrarotbereich beobachtet. Auf der Oberfläche von Triton gibt es reichlich Wassereis, das ein hohes Albedo gegenüber Sonnenlicht (einschließlich Infrarotstrahlen) aufweist. Allerdings kann der Methananteil in der Atmosphäre des Neptuns Infrarotstrahlen absorbieren, sodass die Atmosphäre insgesamt dunkler wird. Die hellen Streifen und Flecken auf der Oberfläche des Neptuns sind stark reflektierende Eisflächen aus Methan und Wasser und ihre Verteilung stellt die Stürme auf dem Neptun dar.

Triton und Neptun. Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wettersatelliten zur Erfassung verschiedener Wetterdaten vor allem auf Fernerkundungstechnologie angewiesen sind. Dank ihrer Fernerkundungsfähigkeiten können Wettersatelliten nicht nur bei der Wettervorhersage helfen, sondern auch weitere Hilfe leisten. Abschließend möchte ich alle noch einmal daran erinnern, dass Sie bei verschiedenen Wetterwarnungen rechtzeitig Vorbereitungen treffen müssen, um Katastrophen zu verhindern und zu reduzieren!

Planung und Produktion

Autor: Qu Jiong, populärwissenschaftlicher Autor

Rezension von Yang Lei, stellvertretender Chefingenieur von Fengyun-4, Nationales Satellitenmeteorologisches Zentrum

Planung – Ding Zong

Herausgeber: Yinuo

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen