Κατά την αρχαιότητα, ο Αίολος ήταν ο πιο αγαπημένος ή -τουλάχιστον- ο πιο χρήσιμος από όλες τις θεότητες του ελληνικού πανθέου, διότι, ως θεός του ανέμου και του καιρού, καθόριζε τις τύχες πολλών ανθρώπων ανάλογα με το αν ο άνεμος ήταν ούριος (Ζέφυρος στην Ομηρική Οδύσσεια) ή όχι. Ο Αίολος, ως ο διορισμένος από τον Δία ταμίας των ανέμων,τους κρατούσε μέσα στον ασκό του και τους άφηνε μετά από εντολή του Δια.

Στις μέρες μας, εμπνευσμένη από τον Αίολο, η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA), κατασκεύασε τον πρώτο δορυφόρο για την χαρτογράφηση των ανέμων μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα. Θυμίζουμε οτι η ESA τρέχει παράλληλα και το πρόγραμμα Jason-3. Πριν από λίγες ημέρες  στις 22 Αυγούστου 2018, ο δορυφόρος Aeolus, ξεκίνησε με επιτυχία την πολυαναμενόμενη εδώ και δυο δεκαετίες, αποστολή του από το Ευρωπαϊκό κοσμοδρόμιο στο Kourou της Γαλλικής Γουιάνας.

https://www.youtube.com/embed/EtXnzMXFQqI

Ο Aeolus, προς τιμή του Θεού των Ανέμων, είναι η αποστολή σχεδιασμένη για την εξερεύνηση του πλανήτη Γη, στο πλαίσιο του προγράμματος Living Planet. Προορίζεται να έχει διάρκεια ζωής τουλάχιστον τριών ετών, με προϋπολογισμό περί τα 480 εκατομμύρια ευρώ.

Εικόνα 1    Ο Δορυφόρος Aeolus μπορεί να μετρήσει τους ανέμους καθ’ ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα μέχρι περίπου το ύψος των 30Km (Εικόνα: ESA/AOES Medialab)

Πρόκειται για τον πέμπτο προγραμματισμένο δορυφόρο του προγράμματος Living Planet. Ο στόχος της αποστολής είναι να παρέχει σε παγκόσμιο επίπεδο προφίλ παρατηρήσεων ανέμων υψηλής ποιότητας από την επιφάνεια της Γης μέχρι την χαμηλότερη στρατόσφαιρα (περίπου μέχρι τα 30Km), χρησιμοποιώντας ένα ‘διαστημικό’ Doppler Wind Lidar (DWL) (γνωστό ως ALADIN) σε μια σχεδόν πολική, ηλιοσύγχρονη  τροχιά σε ύψος περίπου 320 km. Ο δορυφόρος Aeolus θα μπορεί να μετρήσει τον οριζόντιο άνεμο, κάθετο προς την τροχιά του, στοχεύοντας την ατμόσφαιρα  με ένα υπεριώδες (UV) laser, το οποίο ονομάζεται ALADIN, μετρώντας την μετατόπιση της συχνότητας (Doppler-shift) του οπισθοσκεδαζόμενου φωτός εξαιτίας των ατμοσφαιρικών μορίων (καθαρός αέρας) και των σωματίδιων (σύννεφα / αερολύματα) που υπάρχουν μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα και βρίσκονται σε κίνηση.

Εικόνα 2 .  Γεωμετρία μέτρησης και κάλυψη της αποστολής Aeolus και Σχηματική απεικόνιση της backscatter τεχνικής (εικόνα: ESA / ESTEC). a. Ο Aelous στέλνει μια δέσμη φωτός μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα, b. Ορισμένα φωτόνια της δέσμης σκεδάζονται από τα ατμοσφαιρικά μόρια πίσω στον δορυφόρο, c. Πληροφορίες που ‘υπάρχουν’ στα ανακλώμενα φωτόνια λαμβάνονται από το τηλεσκόπιο του δορυφόρου, αποκαλύπτοντας το ύψος, την ένταση και την διεύθυνση των ανέμων.

Αναλυτικότερα, το laser όργανο που βρίσκεται στο δορυφόρο Aelous, εκπέμπει παλμούς laser προς την ατμόσφαιρα, δέσμες με δισεκατομμύρια φωτόνια στο υπεριώδες (UV) φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην συνεχεία, μερικά εκατοντάδες από αυτά τα φωτόνια, αφού σκεδαστούν πίσω αλληλεπιδρώντας με τα μόρια του αέρα και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας, παρατηρούνται από το 1.5m τηλεσκόπιο που διαθέτει ο δορυφόρος  (Εικόνα 2). Ο δορυφόρος Aeolus, όχι μόνο μπορεί να μετρήσει την απόσταση της ανάκλασης μετρώντας το ύψος των ανέμων αλλά μπορεί να μετρήσει και μικροαλλαγές στο μήκος κύματος των φωτονίων που προκύπτουν από την κίνηση των μορίων του αέρα.

Έτσι, μέσω της μέτρησης της προκύπτουσας μετατόπισης Doppler του σήματος επιστροφής, που εκπέμπεται σε διάφορα ύψη στην γήινη ατμόσφαιρα (backscattered light), γίνεται δυνατή η εκτίμηση για τον άνεμο, καθώς αυτή η μετατόπιση της συχνότητας προκύπτει από τη σχετική κίνηση των μορίων – σωματιδίων (σκέδαστες) κατά μήκος της οπτικής γραμμής του αισθητήρα. Με δεδομένο ότι αυτή η κίνηση σχετίζεται με τον μέσο άνεμο στον παρατηρούμενο όγκο, γίνεται δυνατή η μέτρηση του ανέμου καθ’ ύψος (Εικόνα 2).

Εικόνα 3   Δομή ταχύτητας Doppler (δεξιά) που αντιστοιχεί σε κατακόρυφο προφίλ ανέμου (αριστερά) όπου και οι δύο ταχύτητες (23 m s-1 ή 45 kt) και κατεύθυνση (270 °) είναι σταθερές με ύψος. Οι αρνητικές (θετικές) ταχύτητες Doppler αντιπροσωπεύουν ροή προς (ή μακριά από) το  ραντάρ. Το radar βρίσκεται στο κέντρο της οθόνης. (στη μεγαλύτερη εικόνα)

Αξίζει να σημειωθεί πως η τεχνική αυτή δεν είναι νέα για την επιστημονική κοινότητα. Είναι η ίδια με αυτή που χρησιμοποιούν αρκετά χρόνια τώρα τα Doppler Radar καιρού για την μέτρηση των ανέμων, σαν αυτά που διαθέτει και η ΕΜΥ στην χώρα μας (τα οποία βέβαια λειτουργούν σε τελείως διαφορετικές συχνότητες). Αυτό όμως που αποτελεί καινοτομία στον Aeolus είναι ότι διαθέτει μια ιδιαίτερα ισχυρή οπτική πηγή laser ικανή να διανύσει τόσο μεγάλες αποστάσεις, αν αναλογιστεί κανείς ότι τα επίγεια συστήματα lidar που σήμερα διαθέτουμε έχουν μια εμβέλεια η οποία δεν ξεπερνά τα 10Km. 

Εικόνα 4. Μέτρηση ύψους κύματος από τον δορυφόρο Jason -2

Επιπλέον, μετρήσεις για τους άνεμους καθ’ ύψος στην γήινη ατμόσφαιρα και σήμερα γίνονται από τους ήδη υπάρχοντες μετεωρολογικούς και όχι μόνο δορυφόρους, κάνοντας χρήση διαφόρων τεχνικών (Βλ. Εικόνα 4) . Αυτό όμως που πραγματικά αποτελεί καινοτομία του δορυφόρου Aeolus είναι ο όγκος της μέτρησης, δηλαδή η διακριτική του ικανότητα, η οποία προσδιορίζεται στο οριζόντιο επίπεδο στα 50Κm (μέγεθος δείγματος), ενώ στο κατακόρυφο εξαρτάται από το πλάτος της δέσμης laser. Παράλληλα, οι μετρήσεις μπορούν να επαναλαμβάνονται σε διαστήματα των 200Κm.

Μοναδικός περιορισμός των παρατηρήσεων του δορυφόρου Aeolus είναι ότι παρέχουν πληροφορίες για τον άνεμο κάνοντας χρήση μόνο του συστατικού του αέριου φορέα (δηλαδή του σκεδαστή) κατά μήκος της οπτικής δέσμης. Έτσι, για τον προσδιορισμό του διανύσματος του ανέμου χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές αφομοίωσης των δεδομένων, οι οποίες με την σειρά τους παρουσιάζουν και αυτές μια μεταβλητότητα. Παράλληλα, δεδομένου ότι το όργανο ALADIN είναι ένα Υψηλής Φασματικής Ανάλυσης Lidar, είναι δυνατό να αντληθούν πληροφορίες χρήσιμες για τη μοντελοποίηση της ατμοσφαιρικής σύνθεσης. Ο δορυφόρος Aeolus θα παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις οπτικές ιδιότητες των νεφών και των αερολυμάτων της ατμόσφαιρας. Σήμερα, ο Aeolus θεωρείται ως μια προ-επιχειρησιακή αποστολή, αναδεικνύοντας νέες τεχνολογίες στον τομέα των laser και ανοίγοντας το δρόμο για μελλοντικούς μετεωρολογικούς δορυφόρους για τη μέτρηση των ατμοσφαιρικών ανέμων.

https://www.youtube.com/embed/TSpZCOnhzmA

Καλύτερες προβλέψεις

Η αποστολή Aeolus αναμένεται να βελτιώσει τις καιρικές προβλέψεις παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για τους ανέμους καθ’ ύψος στην γήινη ατμόσφαιρα σε παγκόσμια κλίμακα. Σήμερα, η μετεωρολογία για την απόκτηση αυτής της πληροφορίας βασίζεται πρωτίστως στα γνωστά σε όλους μας μετεωρολογικά μπαλόνια (ραδιοβολίσεις) και δευτερευόντως σε μετρήσεις από αεροπλάνα. Με δεδομένο ότι το μεγαλύτερο κομμάτι του πλανήτη μας καλύπτεται από ωκεανούς, γίνεται σαφές πως όσο πυκνό και εάν είναι το δίκτυο των σταθμών ανώτερης ατμόσφαιρας (ραδιοβολίσεων) ποτέ δε θα είναι επαρκή για την κάλυψη του συνόλου της γήινης ατμόσφαιρας. Επί του παρόντος, οι πληροφορίες για τον άνεμο σε απομακρυσμένες περιοχές, πάνω από τους ωκεανούς, στους τροπικούς και στο νότιο ημισφαίριο είναι σε μεγάλο βαθμό έμμεσες.
Ως εκ τούτου, αναμένεται ότι η αύξηση των πληροφοριών για το προφίλ του ανέμου καθ’ ύψος, να αποτελέσει πολύτιμη προσθήκη στο παγκόσμιο σύστημα παρατήρησης, κενό που είχε ήδη από το 2012 επισημανθεί από ομάδα εμπειρογνωμόνων του WMO, καθώς το παγκόσμιο σύστημα παρατήρησης στερείται σημαντικά από άμεσα παρατηρούμενες πληροφορίες για τον άνεμο.

Εάν οι παρατηρήσεις του δορυφόρου Aeolus παρουσιάσουν ικανοποιητική ποιότητα, αναμένεται να έχουν σημαντική θετική επίδραση στον χώρο των αριθμητικών μοντέλων καιρού. Στο κομμάτι αυτό σημαντικός αναμένεται να είναι ο ρόλος του Ευρωπαϊκού κέντρου μεσοπρόθεσμων προγνώσεων (ECMWF), το οποίο έχει την ευθύνη για την παραγωγή προϊόντων ανέμου από τον δορυφόρο Aeolus, τα οποία με την σειρά τους θα είναι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν στην αριθμητική πρόγνωση.

https://www.youtube.com/embed/YN4Uw7MoqNo

Επιστημονικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια με πραγματικά δεδομένα ανέμου, έχουν δείξει ότι οι πληροφορίες για την αιολική ενέργεια είναι πιο σημαντικές από τις πληροφορίες για την κατανομή της αέριας μάζας, για τον προσδιορισμό της ατμοσφαιρικής κατάστασης, κυρίως στις τροπικές περιοχές. Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η σημαντικότητα των κατανομής των ανέμων καθ’ ύψος αρκεί να σημειώσουμε πως οι σημαντικότερες αποτυχίες του ECMWF στην πρόγνωση του καιρού για την περιοχή της Ευρώπης, οφείλοντας στην αβεβαιότητα προσδιορισμού της πραγματικής θέσης του αεροχειμάρρου (λόγω έλλειψης παρατηρήσεων για τον άνεμο στην ατμόσφαιρα) στην περιοχή του Ατλαντικού Ωκεανού.
 Έτσι, ο δορυφόρος Aeolus θα συντελέσει σε μια βαθμιαία αλλαγή στην ποιότητα των προβλέψεων για τον καιρό σε παγκόσμια κλίμακα. Για την περιοχή των τροπικών η βελτίωση της πρόγνωσης αναμένεται να είναι ιδιαίτερα σημαντική, ενώ για τις περιοχές των μεσαίων και υψηλών πλατών κατά μερικές ποσοστιαίες μονάδες. Όσο μικρό και αν ακούγεται για τα μέσα πλάτη το ποσοστό αυτό, αξίζει να σημειωθεί ότι μια αύξηση της ακριβείας της πρόγνωσης του καιρού κατά 2% αντιστοιχεί με μερικά δισεκατομμύρια δολάρια κέρδος για την κοινωνία. Οι νέες πληροφορίες που αναμένεται να παρέχει σχετικά με τον άνεμο, εκτιμάται ότι θα οδηγήσουν κατά πολύ στην βελτίωση της εικόνας για τον πραγματικό καιρό και της ανάλυσης της παρούσας κατάστασης της ατμόσφαιρας κυρίως στις τροπικές περιοχές, βελτιώνοντας τα αριθμητικά μοντέλα καιρού που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή προβλέψεων.
Παράλληλα, ο δορυφόρος Aeolus εκτός από άμεσα, αναμένεται να συμβάλει και έμμεσα στη βελτίωση των προβλέψεων, ενεργώντας ως πρότυπο ελέγχου ποιότητας για άλλες πηγές δεδομένων τηλεπισκόπησης.

Εικόνα 5. Παράδειγμα προσομοιωμένων παρατηρήσεων ανέμου (HLOS horizontal-line-of-sight) του δορυφόρου Aeolus, δίνοντας σχεδόν κάθετα κατακόρυφα προφίλ ανέμων, που περιορίζονται μόνο από την παρουσία συμπαγών σύννεφων (μαύρες περιοχές), στις οποίες το φως του laser δεν μπορεί να διεισδύσει.

Αξίζει να τονιστεί ότι η αποστολή Aeolus είχε ξεκινήσει από το 1999 έχοντας υποστεί μεγάλες καθυστερήσεις εξαιτίας των προβλημάτων που προέκυπταν και έπρεπε να αντιμετωπιστούν σχετικά με την υπερσύγχρονη τεχνολογία laser στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας UV.
Ο αναμενόμενος χρόνος ζωής του δορυφόρου Aeolus εκτιμάται ότι θα είναι από τρία έως τέσσερα χρόνια. Μπορεί ο χρόνος αυτός να φαντάζει σχετικά μικρός, αλλά όμως είναι μια αποστολή που έχει ως κύριο σκοπό να αναδείξει - αποδείξει τον αντίκτυπο του ‘διαστημικού’ Doppler Wind Lidar. Εάν το ECMWF και ενδεχομένως άλλα κέντρα αριθμητικής πρόγνωσης μπορέσουν να αναδείξουν θετικό αντίκτυπο από τη χρήση των δεδομένων του Aeolus, τότε αυτή η αποστολή θα θεωρηθεί επιτυχής και θα ανοίξει το δρόμο για μια επιχειρησιακή αποστολή με συνέχεια στον χρόνο, καθώς το κενό προφίλ αιολικής ενέργειας στο σύστημα παρατήρησης είναι μάλλον απίθανο να συμπληρωθεί από άλλους τύπους δεδομένων.

Χαράλαμπος Καρβέλης

Επισμηναγός (ΜΤ) - Τμηματάρχης Τηλεπισκόπησης ΕΜΥ

Σημείωση Η Ελλάδα μέσω της ΕΜΥ μετέχει από το 1988 στο Ευρωπαικό πρόγραμμα της EUMETSAT  ως πλήρες μέλος και μέσω της ΓΓΕΤ από το 2004 στην ESA.