Radio-ockultation med GNSS för atmosfärsmätningar

Transkript

1 Radio-ockultation med GNSS för atmosfärsmätningar Rymdforum 9-10 mars 2015 Joel Rasch Molflow

2 Innehåll Radio-ockultation, kort historik Radio-ockultation med GNSS Dagens satelliter Användningsområden 2

3 kort historik När en källa till synligt ljus rör sig in i skuggzonen kan man observera en hel del intressanta fenomen Solen ändrar position och form när den går ned bakom horisonten Detta har att göra med hur ljuset bryts i den tjocka atmosfären nära marken 3

4 kort historik Genom detaljerade mätningar av brytningsmönstret kan man utröna egenskaperna hos atmosfären vid tillfället i fråga. Främst tryck, temperatur och vattenhalt i atmosfären går att studera Denna effekt är inte begränsad till jorden, hade månen haft en tjock atmosfär skulle den kunnat mätas mha av planeter och stjärnor när de går ned bakom den (till höger Jupiter med två månar) Samma teknik kan appliceras på de andra planeterna i solsystemet 4

5 kort historik Synligt ljus ligger i frekvensbandet THz Tekniken fungerar lika bra för mikrovågor mellan GHz Genom att använda artificellt genererade mikrovågor kan vi skapa mkt användbara ockultationssituationer En stark mikrovågssignal skickas ut från jorden, och en rymdsond som går in i skuggzonen kan mäta hur denna signal förändras Användes först 1964 på Mars, men har sedan dess använts på de flesta planeter och deras ringar 5

6 kort historik Utforskningen av de andra planeternas atmosfärer mha ockultation var av tämligen låg kvalité. Men i brist på andra bra mätningar var de en mkt värdefull källa till information. Liknande mätningar för jordens atmosfär var helt onödiga, då mkt bättre metoder fanns tillgängliga. Men 1994 togs GPS-systemet i bruk. Detta system har så hög precision att det blev meningsfullt att använda det för atmosfärsmätningar 1995 gjordes de första försöken med radio-ockultation mha GPS-satelliter 6

7 med GNSS För närvarande finns det 27 GPS-satelliter som ligger i bana ca km ovanför jorden. En satellit i lägre bana med rätt mottagare kan göra hundratals ockultationsmätningar varje dag Utöver GPS finns även det ryska GLONASS, och det kinesiska BeiDou-1 I framtiden kommer även det europeiska GALILEO, samt det kinesiska BeiDou-2 finnas att tillgå Vi kallar dessa system för GNSS (Global Navigational Satellite Systems) 7

8 med GNSS Vad vi faktiskt mäter är böjningsvinkeln, α, på GNSS-signalen som en funktion av inslagshöjden, a. Vi kan rita diagram över hur böjningsvinkeln beror av inslagshöjden Från dessa diagram kan vi härleda tryck, temperatur, luftfuktighet och elektrontäthet som en funktion av höjd över marken Vilken faktor som påverkar böjningsvinkeln mest beror på tangenthöjden 8

9 med GNSS Atmosfärens egenskaper varierar kraftigt med höjden. Mellan 0-6 km (~troposfären) inverkar vattenånga starkt på böjningsvinkeln Mellan 6-70 km (~stratosfären) bestäms böjningen av tryck och temperatur Ovanför ~70 km bestäms böjningen främst av elektrontätheten i jonosfären Detta ger oss möjlighet att utforska många olika fenomen med radio-ockultation 9

10 dagens satelliter Det finns och har funnits ett flertal satelliter utrustade med rätt mottagare: COSMIC: USA, Taiwan, ursprungligen 6 satelliter, nu 4 (2006-?). CHAMP: Tyskland, 1 satellit ( ) GRACE: USA, Tyskland, 2 satelliter (2002-?) MetOp: EUMETSAT (30 europeiska länder inkl. Sverige), 3 satelliter (2007-?) Flera nya satelliter är i planeringsstadiet, bla MetOp Second Generation (SG). På MetOp används GRAS-mottagare, som utvecklats och tillverkats av RUAG Space AB. Jag samarbetar med RUAG för att göra detaljerade simuleringar av radio-ockultationer. 10

11 dagens satelliter GNSS radio-ockultation är en ypperlig teknik för att sondera atmosfären Den är billig (relativt), global, och har hög precision och stabilitet. Ockultationer från MetOp Ockultationer på ett dygn! 11

12 Användningsområden Det främsta användningsområdet är för att leverera data till numerisk väderprediktering (NWP) I detta sammanhang är radio-ockultation bara en av många data-källor (markmätningar, ballonger, radar, andra satellitinstrument ) Man kan även använda tekniken för: Mätningar av elektrontäthet i jonosfären (ionospheric bubbles etc.) Vågor och turbulens i atmosfären (gravity waves, lee waves etc.) Kan användas för att övervaka klimatförändringar (ypperligt över Arktis) samt testa klimatmodeller 12

13 Slutord Tack för uppmärksamheten! Nästa generation av MetOp (MetOp SG) 13