lecture notes - satellite altimetry

Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence

6. ∆ΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑ

«ΕΙ∆ΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ∆ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΓΕΩ∆ΑΙΣΙΑΣ»

Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence

Δ. ΔΕΛΗΚΑΡΑΟΓΛΟΥ – «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΓΕΩΔΑΙΣΙΑΣ»

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

6.00 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ...................................................................................................................... 3

6.01 ΣΥΝΤΟΜΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ ................................................................................................. 4

6.02 ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΑΛΤΙΜΕΤΡΩΝ ΡΑΝΤΑΡ...................... 9

6.03 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΕΚΠΟΜΠΗ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ ΡΑΝΤΑΡ .................................... 10

6.04 ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΤΩΝ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΚΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ....................................................................................................................... 13

6.05 Η ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑΣ .......................................... 15

6.06 ΠΗΓΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑΣ .............................. 18

6.06.1 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΛΤΙΜΕΤΡΟΥ ....................................... 18 6.06.2 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΕΞ ΑΙΤΙΑΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ................. 20 Σφάλματα των επιδράσεων της Τροπόσφαιρας ............................................................... 21 Σφάλματα των επιδράσεων της Ιονόσφαιρας................................................................... 22

6.06.3 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΤΟΥ ΓΕΩΕΙΔΟΥΣ ΚΑΙ Η ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥΣ ..................... 22 6.06.4 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΧΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ............................................................................................................................................. 23 Σφάλματα της επίδρασης της ατμοσφαιρικής πίεσης ....................................................... 23 Σφάλματα εξ αιτίας της κατάστασης της θάλασσας ......................................................... 24 Σφάλματα της επίδρασης των παλιρροιών....................................................................... 25

6.06.5 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΚΑΙ Η ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥΣ ........................... 26

6 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑ 2

Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


6.00 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Από τη δεκαετία του 1970, η άφιξη νέων

δορυφορικών συστημάτων, που επέτρεπαν τη συλλογή εκτεταμένων δεδομένων τηλεπισκόπησης των ωκεανών, έδωσε νέες δυνατότητες συστηματικής μελέτης του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Εξειδικευμένες δορυφορικές αποστολές μετέφεραν ποικίλα πρωτοποριακά όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας, τις συγκεντρώσεις χλωροφύλλης και της ταχύτητας των ανέμων στην επιφάνεια της θάλασσας κ.ά. Αλλά το πραγματικά σημαντικό επίτευγμα των νέων δορυφορικών τεχνολογιών συνεχούς παρατήρησης των ωκεανών ήταν τα ραντάρ αλτιμετρίας, τα οποία έκαναν πραγματικότητα τη συστηματική και αποτελεσματική μελέτη της δυναμικής κατάστασης των ωκεανών και συνεχίζουν να συντελούν στην καλύτερη κατανόηση των ωκεάνιων φαινομένων και του ρόλου των ωκεανών στις μέχρι σήμερα και μελλοντικές αλλαγές του κλίματος σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι εν λόγω αποστολές απετέλεσαν μέρος μιας σειράς διεθνών ωκεανογραφικών και μετεωρολογικών προγραμμάτων, όπως το WOCE (World Ocean Circulation Experiment) και TOGA (Tropical Ocean and Global Atmosphere) τα οποία είχαν στενή σχέση με το Ερευνητικό Πρόγραμμα Παγκόσμιου Κλίματος (World Climate Research Programme, WCRP). Σήμερα με τη διεθνή συνεργασία, και την πρόοδο στις πρακτικές και επιστημονικές εφαρμογές της διαστημικής ωκεανογραφίας και της θαλάσσιας γεωδαισίας, είναι ρεαλιστικό να μιλάει κανείς για την αναμενόμενη μοναδική συνεισφορά των δορυφόρων αλτιμετρίας σε δύο κύριους τομείς:

(i) στη μελέτη της Γης ως ενιαίο σύστημα

που περιλαμβάνει τη στεριά, τους ωκεανούς, την ατμόσφαιρα και τη βιόσφαιρα,

(ii) στην αξιόπιστη πρόβλεψη της κατάστασης των ωκεανών. Τα δορυφορικά αλτίμετρα ραντάρ

ανήκουν στην κατηγορία των ενεργών συστημάτων τηλεπισκόπησης, από τα οποία εκπέμπονται μικρής διάρκειας παλμοί

μικροκυμάτων, κατακόρυφα προς την επιφάνεια της Γης, προκειμένου να μετρηθούν οι ηχώ από τους παλμούς που ανακλώνται από την επιφάνεια του ωκεανού και παραλαμβάνονται πίσω στο δορυφόρο. Τα ανακλώμενα σήματα από τις ωκεάνιες περιοχές παρέχουν πληροφορίες για το ύψος των κυμάτων, την ισχύ, την κατεύθυνση και την ταχύτητα των ανέμων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και την απόσταση του δορυφόρου από την επιφάνεια της θάλασσας ακριβώς κάτω από τον δορυφόρο. Δεδομένου ότι πρόκειται για ενεργά συστήματα, οι τεχνολογικές προκλήσεις για την κατασκευή και λειτουργία τους είναι ιδιαίτερα υψηλές, γεγονός που απαιτεί και ιδιαίτερη προσοχή κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων από τις μετρήσεις τους.

Τα δορυφορικά αλτίμετρα παρέχουν τη

δυνατότητα μετρήσεων υψηλής ακρίβειας και ανάλυσης, που σχεδόν καλύπτουν τη συνολική επιφάνεια ωκεανών, σε τακτά και μακροχρόνια χρονικά διαστήματα, μια δυνατότητα που λείπει από τις συμβατικές τεχνικές παρατήρησης των ωκεανών από πλοία, πλωτήρες ή άλλες πλατφόρμες. Οι εν λόγω μετρήσεις προσφέρουν μια μοναδική δυνατότητα για να μελετηθούν συνεχώς και συστηματικά η κατάσταση και η συμπεριφορά της κυκλοφορίας των θαλασσών (π.χ. παλίρροιες, ρεύματα, eddies) σε παγκόσμιο επίπεδο. Επιπλέον, λόγω της ειδικής φύσης των τροχιών στις οποίες κινούνται οι δορυφόροι με αλτίμετρα ραντάρ, οι επαναλαμβανόμενες (μέσα σε μερικές μέρες) μετρήσεις που εκτελούν πάνω από τις ίδιες θαλάσσιες περιοχές επιτρέπουν τη συνεχή παρακολούθηση των αλλαγών στη


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


στάθμη, τους κυματισμούς και τα ρεύματα των θαλασσών σε τοπική κλίμακα, παρέχοντας έτσι μοναδικές νέες δυνατότητες για ποικίλες εφαρμογές ενδιαφέροντος για τη θαλάσσια γεωδαισία, την ωκεανογραφία, την μετεωρολογία, την υδρογραφία, τις θαλάσσιες μεταφορές, την αλιεία κ.ά.

Σήμερα, οι ήδη εν ενεργεία και οι στο

άμεσο μέλλον προγραμματισμένοι νέοι αλτιμετρικοί δορυφόροι, που πρόκειται να τεθούν σε λειτουργία, αναμένεται να επαυξήσουν ακόμα περισσότερο τις δυνατότητες για την συνεχή παρατήρηση των θαλασσών, ώστε να είναι δυνατόν να μελετηθούν με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια οι θαλάσσιες μεταβολές συνοπτικού (σε σχεδόν πραγματικό χρόνο), περιοδικού (εποχικού) ή διαχρονικού χαρακτήρα ― π.χ. κύματα και παλίρροιες, άνοδος της μέσης στάθμης της θάλασσας, αλλαγές στη κυκλοφορία των ρευμάτων, μεταφορά

θαλασσίων υδάτινων μαζών, μελέτη και πρόβλεψη ζημιογόνων κλιματικών φαινομένων όπως τα El Nino και La Nina, κ.ά. ― καθώς και να διαχωριστούν ή να συσχετισθούν οι επιδράσεις σε αυτές τις μεταβολές των διαφόρων αιτίων που τις προκαλούν (π.χ., πίεση των ανέμων, ατμοσφαιρικές συνθήκες, παλίρροιες, φαινόμενο του θερμοκηπίου κλπ.). Με τον τρόπο αυτό αναμένεται να βελτιωθούν περαιτέρω οι σύγχρονες μεθοδολογίες παρακολούθησης και πρόγνωσης της κατάστασης των θαλασσών, π.χ. για την καλύτερη εξυπηρέτηση των αναγκών για την ασφάλεια της ακτοπλοΐας και των θαλασσίων μεταφορών, την ενημέρωση των στόλων αλιείας, της άμυνας κατά ακραίων θαλασσίων καιρικών φαινομένων, τις επιχειρησιακές ανάγκες του Ναυτικού κλπ.

6.01 ΣΥΝΤΟΜΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ

Το 1973, από το διαστημικό εργαστήριο SKYLAB της NASA, το πρώτο δορυφορικό αλτίμετρο ραντάρ έκανε τις πρώτες πειραματικές μετρήσεις στην επιφάνεια θάλασσας από το διάστημα, πετώντας σε ένα χαμηλό ύψος περίπου 435 km. Με μια ακρίβεια του αλτίμετρου της τάξης ±1 m και μια ακρίβεια της τάξης των δεκάδων μέτρων στον υπολογισμό της τροχιάς, οι αλτιμετρικές μετρήσεις του SKYLAB είχαν μικρή πρακτική χρησιμότητα. Ωστόσο, κατέδειξαν τις δυνατότητες της τεχνικής της δορυφορικής αλτιμετρίας για τη γεωδαισία και την ωκεανογραφία.

SKYLAB (1973-75)

GEOS-3 (1975-78)

Η εκτόξευση τρία χρόνια αργότερα του

δορυφόρου GEOS-3 (Geodynamics Experimental Satellite) οδήγησε στη χρήση ενός σημαντικά βελτιωμένου ως προς την ακρίβειά του αλτίμετρου, αλλά χωρίς αντίστοιχες σημαντικές βελτιώσεις στην ακρίβεια του υπολογισμού της τροχιάς του δορυφόρου, τα αλτιμετρικά δεδομένα του GEOS-3 παρείχαν δυνατότητες


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


υπολογισμού των εκτεταμένων χαρακτηριστικών γνωρισμάτων της επιφάνειας των ωκεανών (long wavelength features) και όχι των μικρού μεγέθους δυναμικών διαταραχών των θαλασσών.

Τον Αύγουστο του 1978 ακολούθησε η

εκτόξευση του SEASAT, του πρώτου ειδικά αφιερωμένου για ωκεανογραφικούς σκοπούς δορυφόρου, ο οποίος μετέφερε (μεταξύ των άλλων οργάνων του) ένα αλτίμετρο ραντάρ (με ακρίβεια της τάξης των ±10 cm) και ανακλαστήρες λέιζερ για τον προσδιορισμό της τροχιάς του με ακρίβεια της τάξης ±50 cm. Δυστυχώς, μια καταστροφική βλάβη στο σύστημα ηλεκτρικής τροφοδότησης μετά από τρεις περίπου μήνες οδήγησε στο πρόωρο τέλος της αποστολής του δορυφόρου. Ωστόσο, ακόμα και στο μικρό διάστημα λειτουργίας του οι χιλιάδες των αλτιμετρικών μετρήσεων του SEASAT επέτρεψαν να ερευνηθούν για πρώτη φορά πολλά χαρακτηριστικά του θαλάσσιου γεωειδούς και της δυναμικής κατάστασης των ωκεανών.

SEASAT (1978)

Ο επόμενος αλτιμετρικός δορυφόρος

GEOSAT (GEOdetic SATellite), του αμερικανικού Ναυτικού, εκτοξεύθηκε το 1985 σε ένα ύψος 785 km και τροχιακή κλίση 108ο. Ο δορυφόρος ολοκλήρωσε δύο διαφορετικές αποστολές με την τοποθέτηση του σε δύο ελαφρά διαφορετικές τροχιές. Η πρώτη ήταν 18μηνης διάρκειας, γνωστή ως γεωδαιτική αποστολή (Geodetic Mission), κατά την οποία ο δορυφόρος κινήθηκε σε

μια τροχιά που δεν επανέλαβε ποτέ, αλλά προσέγγιζε “επαναληπτικές τροχιές” με περιόδους επανάληψης 3, 23 και 78 ημερών. Αυτή η τροχιά παρήγαγε ένα σύνολο αλτιμετρικών δεδομένων που παραμένει ακόμα και σήμερα απαράμιλλο, από την άποψη της χωρικής κάλυψης που παρείχαν, δεδομένου ότι η απόσταση στον ισημερινό μεταξύ των επίγειων ιχνών διαδοχικών τροχιών ήταν τυπικά λιγότερο από 5 km, και περίπου 2-3 km στα γεωγραφικά πλάτη 60ο. Σαν αποτέλεσμα, τα δεδομένα που συλλέχθηκαν θεωρήθηκαν από την αμερικανική κυβέρνηση ως άκρως ευαίσθητα και απόρρητα και μόνο ένα υποσύνολο τους, για τις περιοχές νότια του γεωγραφικού πλάτους 30ο S, δόθηκαν για ελεύθερη επιστημονική χρήση. Το υπόλοιπο των δεδομένων αποχαρακτηρίστηκε στη συνέχεια και δόθηκε στην ευρεία δημοσιότητα μετά από πολλά χρόνια.

GEOSAT (1985-90)

Η παρακολούθηση του δορυφόρου από

46 επίγειους σταθμούς της Γεωγραφικής Υπηρεσίας των Ενόπλων Δυνάμεων των ΗΠΑ, επέτρεπε μια ακρίβεια στις τροχιές του GEOSAT περίπου 60 cm, άλλα περιστασιακά η ακρίβεια αυτή υποβαθμιζόταν εξ αιτίας ενός προβλήματος του παθητικού συστήματος κατακόρυφου προσανατολισμού του δορυφόρου που αποδόθηκε στην πίεση της ηλιακή ακτινοβολίας και σε μικρές συνεισφορές μαγνητικών, ατμοσφαιρικών και άλλων επιδράσεων του πεδίου βαρύτητας.

Στη δεύτερη φάση της αποστολής του,

από τον Οκτώβριο 1986, ο GEOSAT τοποθετήθηκε σε μια αυστηρά επαναλαμβανόμενη τροχιά (Exact Repeat Orbit) όπου παρέμεινε μέχρι το τέλος της


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


λειτουργίας του τον Ιανουάριο του 1990. Η εν λόγω επαναλαμβανόμενη τροχιά του GEOSAT έδωσε την ίδια σχεδόν επίγεια κάλυψη με την 17ήμερη επαναλαμβανόμενη τροχιά της προγενέστερης αποστολής του SEASAT. Αυτό επέτρεψε την ευρεία χρήση των δεδομένων, παρά το γεγονός ότι οι αντίστοιχες ακρίβειες των διαθέσιμων τροχιακών εφημερίδων ήταν αρχικά στα επίπεδα των 3 m. Η εν λόγω χαμηλή ακρίβεια των τροχιών συνδέθηκε στενά με τα επίπεδα ηλιακής δραστηριότητας που αυξήθηκε σταθερά σε όλη την διάρκεια της αποστολή του GEOSAT, αν και αργότερα η ακρίβεια της τροχιάς στην έναρξη της περιόδου της επαναλαμβανόμενης τροχιάς ήταν στα επίπεδα των 10-25 cm στην αρχή της εν λόγω περιόδου, ανερχόμενη στα 40-60 cm προς το τέλος της λειτουργίας του δορυφόρου.

GEOSAT Follow-On, GFO (1998- )

Μια δεύτερη αποστολή ενός παρόμοιου

δορυφόρου GEOSAT, με την ονομασία "GEOSAT Follow On" ή GFO, ακολούθησε το 1998 και συνεχίζει να λειτουργεί μέχρι σήμερα, αν και αντιμετωπίζει σημαντικές δυσκολίες ορισμένων οργάνων του (π.χ. του συστήματος GPS).

Η εκτόξευση του πρώτου ευρωπαϊκού

δορυφόρου τηλεπισκόπησης ERS-1 (Earth Resource Satellite) τον Ιούλιο του 1991, σε μια πολική ήλιο-σύγχρονη τροχιά, ύψους περίπου 780 km και τροχιακής κλίσης 98ο, σημαδεύει την πρώτη συνδυασμένη παρουσία στον ίδιο δορυφόρο ενεργών και παθητικών αισθητήρων τηλεπισκόπησης, όπως πέρα από το αλτίμετρο ραντάρ, το Ενεργό Όργανο Μικροκυμάτων (Active Microwave Instrument, ΑΜΙ), που συνδυάζει τη λειτουργία ενός ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) και ενός ραντάρ

διασκορπισμού για τον υπολογισμό των ανέμων (Wind Scatterometer) και τον παθητικό ραδιομετρικό σαρωτή ATSR (Along Track Scanning Radiometer), που συνδυάζει ένα ραδιόμετρο υπέρυθρων ακτίνων με έναν ηχοβολητή μικροκυμάτων για τη μέτρηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας. Για τον ακριβή υπολογισμό της τροχιάς του, ο δορυφόρος περιελάμβανε ανακλαστήρες λέιζερ για τη χρήση τους από επίγεια συστήματα τηλέμετρων λέιζερ SLR και το πειραματικό σύστημα εντοπισμού PRARE (Precise Range And Range-rate Equipment), που ωστόσο απέτυχε να λειτουργήσει σχεδόν από την αρχή της αποστολής. Ως συνεπεία αυτής της αποτυχίας, οι τροχιές του ERS-1 δεν είχαν τις αναμενόμενες ακρίβειες, κυμαινόμενες τελικά στα επίπεδα 10-20 cm, που ήταν ωστόσο αρκετά καλύτερες από εκείνες του GEOSAT.

EERRSS--11:: 11999911--11999966

EERRSS--22:: 11999955--

Στην αρχική φάση της αποστολής του, ο ERS-1 τοποθετήθηκε σε 3ήμερη επαναλαμβανόμενη τροχιά, που ακολουθήθηκε από μια επιπλέον περίοδο 3ήμερης, αλλά ελαφρά μετατοπισμένης, επαναλαμβανόμενης τροχιάς, που αποσκοπούσε στο να βοηθήσει τη διεξαγωγή μετρήσεων για τη μελέτη των αρκτικών περιοχών. Κατά την επόμενη βασική, διεπιστημονική φάση λειτουργίας του, ο ERS-1 τοποθετήθηκε σε μια επαναλαμβανόμενη τροχιά με περίοδο επανάληψης 35 ημέρες, μειώνοντας κατά συνέπεια την απόσταση των επιγείων ιχνών


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


στον ισημερινό σε 39 km. Το τελικά σχεδιασμένο μέρος της αποστολής του ERS-1 ήταν η λεγόμενη γεωδαιτική φάση, που περιελάμβανε έναν μικρό αριθμό κύκλων επαναλαμβανόμενων τροχιών με περίοδο επανάληψης 168 ημερών και επίγεια κάλυψη λιγότερο από 17 km μεταξύ διαδοχικών επίγειων ιχνών στον ισημερινό και περίπου 8 km στις περιοχές σε γεωγραφικό πλάτος 60ο.

Το 1996, ο ERS-2, ένας πανομοιότυπος

δορυφόρος με τον ERS-1, τοποθετήθηκε σε μια 35ήμερη επαναλαμβανόμενη τροχιά, κινούμενος 20 λεπτά μπροστά από τον ERS-1, επιτρέποντας έτσι την αλληλο-υποστηριζόμενη χρήση των δύο δορυφόρων (Tandem Mission) για την εκτέλεση μιας σειράς διεργασιών βαθμονόμησης και επαλήθευσης των μετρήσεων του αλτίμετρου του ERS-2. Με το πέρας των εν λόγω διεργασιών, η λειτουργία του ERS-1 διακόπηκε (στην πραγματικότητα όλα τα όργανα του ERS-1 λειτουργούν ακόμα, αλλά τα στοιχεία τους δεν καταγράφονται πλέον και δεν διαβιβάζονται στους επίγειους σταθμούς). Πιθανά προς το τέλος της αποστολής του ERS-2, να επανεργοποιηθεί ο ERS-1 εφ όσον αυτό κριθεί απαραίτητο.

TOPEX/Poseidon: 1992-

Ο πρώτος στην επόμενη γενιά των

αλτιμετρικών δορυφόρων, ο TOPEX/Poseidon, τοποθετήθηκε τον Αύγουστο του 1992, σε ύψος 1335 km και τροχιακή κλίση περίπου 66ο, σε 10ήμερη επαναληπτική τροχιά. Ο δορυφόρος περιλαμβάνει ουσιαστικά δύο διαφορετικά αλτίμετρα ραντάρ. Το πρώτο, ένα αλτίμετρο κατασκευασμένο από τη NASA, είναι διπλής συχνότητας (Ku- και C-band) και επιτρέπει τον υπολογισμό ακριβέστερων

διορθώσεων για τις επιδράσεις της ιονόσφαιρας στη μέτρηση του αλτίμετρου. Το δεύτερο αλτίμετρο, από τη γαλλική Υπηρεσία Διαστήματος CNES, απαιτεί λιγότερη ενέργεια για τη λειτουργία του και είναι αρκετά ελαφρύτερο και μικρότερο, και κατά συνέπεια χαμηλότερου κόστους.

Η δορυφορική πλατφόρμα περιλαμβάνει τρία διαφορετικά συστήματα για την παρακολούθηση του δορυφόρου: ανακλαστήρες για δορυφορικά τηλέμετρα SLR, και τα συστήματα εντοπισμού DORIS και GPS. Η παρακολούθηση του δορυφόρου με συστήματα SLR γίνεται με τον ίδιο τρόπο όπως και για άλλους δορυφόρους, χρησιμοποιώντας το ίδιο παγκόσμιο δίκτυο των επίγειων σταθμών με δορυφορικά τηλέμετρα λέιζερ. Το σύστημα DORIS είναι παρόμοιο με το σύστημα PRARE που απέτυχε στον ERS-1 αλλά λειτουργεί επιτυχώς στον ERS-2. Και τα δύο βασίζονται στη μέτρηση της μετατόπισης Doppler ενός πανκατευθυντικού (omni directional) σήματος μικροκυμάτων, από έναν αναμεταδότη στο δορυφόρο (όπως στη περίπτωση του DORIS) ή από ένα δίκτυο αναμεταδοτών στο έδαφος (όπως στη περίπτωση του PRARE). Λόγω του ύψους του TOPEX/Poseidon, ο ακριβής προσδιορισμός της τροχιάς του είναι λιγότερο επηρεασμένος από τα ατμοσφαιρικά σφάλματα και τα σφάλματα των μοντέλων της έλξης του πεδίου βαρύτητας, σε σχέση με τους χαμηλότερους δορυφόρους όπως ο ERS-1, ERS-2 και GEOSAT. Σαν αποτέλεσμα, ο συνδυασμός των παραπάνω τριών βασικών συστημάτων οδηγούν σε ακρίβειες περίπου 3-4 cm στον υπολογισμό των τροχιών του TOPEX/Poseidon, σε σύγκριση με την ακρίβεια των 10-20 cm για τον ERS-1 που


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


ήταν εφικτή από τη χρήση μόνο μετρήσεων SLR.

Ο TOPEX/Poseidon παρέχει μοναδικές

δυνατότητες διαχρονικής παρατήρησης των μεταβολών μεσαίας κλίμακας (mesoscale variations) και της δυναμικής τοπογραφίας της επιφάνειας θάλασσας. Ωστόσο, η απόσταση μεταξύ των επίγειων ιχνών του δορυφόρου είναι αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με τους άλλους αλτιμετρικούς δορυφόρους μέχρι σήμερα. Αυτό οφείλεται στην περίοδο επανάληψης της τροχιάς των 9.97 ημερών, κατά τη διάρκεια των οποίων ο TOPEX/Poseidon ολοκληρώνει ακριβώς 127 τροχιές, που αντιστοιχεί σε μια απόσταση μεταξύ διαδοχικών επίγειων ιχνών του δορυφόρου στον ισημερινό πάνω από 300 km. Η εν λόγω χωρική κάλυψη είναι, εντούτοις, επαρκής για τους στόχους της συγκεκριμένης αποστολής που δίνει στον TOPEX το όνομά της, δηλ. το ωκεάνιο TOPography EXperiment.

JJAASSOONN--11:: 22000011--

O JASON-1 είναι ο πρώτος σε μια νέα

σειρά δορυφόρων με αλτίμετρα ραντάρ, που αποσκοπούν να εξασφαλίσουν τη συνεχή παρατήρηση των ωκεανών για τις επόμενες δεκαετίες. Η αποστολή του αποτελεί συνέχιση εκείνης του TOPEX/Poseidon, του οποίου έχει κληρονομήσει και τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά (π.χ., τροχιά, όργανα, ακρίβεια μέτρησης, κλπ.) και αναπτύσσεται επίσης από κοινού από τη CNES και την NASA. Τοποθετήθηκε το 2001 σε τροχιά ύψους 1300 km, με ένα κύκλο επανάληψης 10 ημερών, και είναι εφοδιασμένος με πέντε βασικά όργανα: αλτίμετρο ραντάρ, ραδιόμετρο υδρατμών και τα συστήματα DORIS, GPS και SLR για την παρακολούθηση της τροχιάς του.

Ο ευρωπαϊκός δορυφόρος ENVISAT

(ENVironmental SATellite) αποτελεί τη συνέχιση των δορυφόρων ERS-1 και -2 και έχει βασικό στόχο να συνεισφέρει στη μελέτη του γήινου περιβάλλοντος, και ειδικότερα τις αλλαγές του κλίματος σε παγκόσμιο επίπεδο. Εκτοξεύθηκε το Μάρτιο 2002 και φέρει δέκα όργανα, από τις αλληλοσυμπληρούμενες μετρήσεις των οποίων θα είναι δυνατόν να μελετηθούν από το θαλάσσιο γεωειδές μέχρι οι εκπομπές αερίων στην ατμόσφαιρα.

EENNVVIISSAATT:: 22000022--

Στα όργανα του περιλαμβάνονται ένα αλτίμετρο ραντάρ (με παρόμοια χαρακτηριστικά των αλτιμέτρων του ERS-1 και ERS-2 και προδιαγραφές για συνεχή λειτουργία για τουλάχιστον 15 χρόνια), και το σύστημα εντοπισμού DORIS. Η τροχιακή περίοδός του ENVISAT είναι 35 ημέρες, όπως του ERS-2 και μερικές από τις προηγούμενες φάσεις του ERS-1. Το Envisat θα ενσωματωθεί στα νέα διεθνή προγράμματα μελέτης των παγκόσμιων αλλαγών του κλίματος, όπως το GOOS (Global Ocean Observation System) και GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment). Ειδικότερα, το αλτιμετρικό μέρος της αποστολής του ENVISAT αποτελεί την ευρωπαϊκή συμβολή στα διεθνή προγράμματα μελέτης της Γης ως ενιαίο σύστημα, όπως το διεθνές πρόγραμμα για τη μελέτης της γεώσφαιρας και της βιόσφαιρας (International Geosphere


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


Biosphere Programme) και το ερευνητικό πρόγραμμα παγκόσμιου κλίματος (World Climate Research Programme). Επιπλέον στοχεύει στην προώθηση των εφαρμογών και την ευρύτερη εμπορική χρήση των αλτιμετρικών δεδομένων κυρίως για την πρόβλεψη της κατάστασης των ωκεανών. Ως εκ τούτου, ο ENVISAT αποτελεί μέρος της επερχόμενης νέας εποχής στην γεωδαισία των θαλασσών και την ωκεανογραφία, που αναμένεται να προσφέρει την σε σχεδόν πραγματικό χρόνο πρόσβαση στα δεδομένα και ποικίλα προϊόντα για τη μακροχρόνια συστηματική

μελέτη του θαλάσσιου περιβάλλοντος, επιτρέποντας τη μέτρηση διαχρονικών αλλαγών στους ωκεανούς όπως:

• στη στάθμης της θάλασσας σε

παγκόσμιο και τοπικό επίπεδο, • στη δυναμική κατάσταση της

κυκλοφορίας των υδάτινων μαζών, • στη κλιματολογία των ανέμων και των

κυμάτων, • στη διαμόρφωση θαλάσσιων πάγων, κ.ά.

6.02 ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΑΛΤΙΜΕΤΡΩΝ ΡΑΝΤΑΡ

Η βασική λειτουργία όλων των συστημάτων ραντάρ περιλαμβάνει την μέτρηση της απόστασης, της κατεύθυνσης, και πολλές φορές ακόμη και της σύστασης μιας επιφάνειας ή ενός απόμακρου αντικειμένου, που μπορεί να υπολογισθούν από την εκπομπή ενός παλμού μικροκυμάτων και τη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για μια ανακλώμενη ηχώ να επιστρέψει από τα σημεία της επιφάνειας ή από το αντικείμενο ενδιαφέροντος. Επιπλέον, ένα ραντάρ μπορεί επίσης να συγκρίνει την κατάσταση της ηχούς με τον αρχικό παλμό που την δημιούργησε για να προσδιορισθεί αν έχει πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε αλλαγή στη μορφή, το μήκος ή το μήκος κύματος του παλμού. Αυτό μπορεί να δώσει τις ενδείξεις ως προς τη φύση και

τη δυναμική κατάσταση, ακόμη και τα χαρακτηριστικά της μετακίνησης του αντικειμένου ενδιαφέροντος.

Μερικές επιφάνειες ή αντικείμενα, όπως

τα μέταλλα και οι υδάτινες επιφάνειες των θαλασσών, των λιμνών ή οι πάγοι και το χιόνι, εξ αιτίας των διηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, αποτελούν άριστους ανακλαστήρες ραντάρ, ενώ αντίθετα αλλά συστατικά όπως το ξύλο, τα πλαστικά, η μαλακή άμμος κλπ. είναι πολύ ακατάλληλα ως ανακλαστήρες ραντάρ. Ένας επιπλέον σημαντικός παράγοντας στη λειτουργία των ραντάρ αποτελεί η γωνία πρόσπτωσης του παλμού πάνω στην επιφάνεια ή το αντικείμενο που τον αντανακλούν, δεδομένου ότι ένας παλμός κάτω από συγκεκριμένες γωνίες


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


πρόσπτωσης μπορεί να υποστεί μεγαλύτερη οπισθοδιασπορά (backscatter) ή ακόμα ένα μεγάλο μέρος της εκτροπής της ηχούς να είναι στην κατεύθυνση μακριά από το ραντάρ.

Συγκεκριμένα, τα σύγχρονα δορυφορικά

αλτίμετρα ραντάρ κάνουν χρήσεις μικροκυμάτων σε δύο συχνότητες, τη μια στα 10 GHz (δηλ. σήματα που εκπέμπουν 10 χιλιάδες εκατομμύρια κύκλους ανά δευτερόλεπτο, με μήκος κύματος ~3 cm) και την άλλη σε 13.65 GHz (με μήκος κύματος ~2.3 cm), τις λεγόμενες αντίστοιχα συχνότητες Χ-band και Ku-band. Τα ραντάρ διαβιβάζουν τους παλμούς αυτής της μικροκυματικής ακτινοβολίας προς την επιφάνεια της θάλασσας και ανιχνεύουν τις ηχώ επιστροφής, καταγράφοντας συγχρόνως το χρόνο και τη διαστρέβλωση του επιστρεφόμενου σήματος. Κάθε παλμός είναι στην πραγματικότητα ένα

διαμορφωμένο σήμα ή μια μικρής διάρκειας μετατόπιση στο μήκος κύματος του φέροντος σήματος. Κάθε παλμός διαρκεί για περίπου 3 nsec (δηλαδή τρία χιλιοστά ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), αντιπροσωπεύοντας ένα μήκος παλμού περίπου 90 cm. Στη πράξη τα αλτίμετρα ραντάρ δεν εκπέμπουν ένα μόνο παλμό κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης. Τυπικά εκπέμπονται 1000 έως 1700 παλμοί ανά δευτερόλεπτο, έτσι ώστε, από τη στατιστική ανάλυση των πολλαπλών ανακλάσεων που καταγράφονται από την περιοχή του αποτυπώματος του παλμού (footprint) στην επιφάνεια της θάλασσας, η ακρίβεια της μέτρησης είναι της τάξης ±2-5 cm. Ο εκάστοτε ρυθμός της εκπομπής παλμών, που χαρακτηρίζει κάθε αλτίμετρο ραντάρ, είναι γνωστός ως επαναληπτική συχνότητα παλμού (pulse repetition frequency).

6.03 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΕΚΠΟΜΠΗ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ ΡΑΝΤΑΡ

Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από ένα ραντάρ οδηγεί σε οπισθοδιασπορά της ενέργειας της ακτινοβολίας, η οποία καθορίζεται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και το μέγεθος του ανοίγματος (δηλ. του παλμού) του ραντάρ. Στη περίπτωση των ραντάρ αλτιμετρίας, στη συνήθως χρησιμο-ποιούμενη συχνότητα των 13 GHz (Ku-band), τα σήματα μικροκυμάτων που εκπέμπονται από μια αντένα διαμέτρου 1 m θα έχουν ένα πλάτος δέσμης 28 mrad ή 1.6ο, που για το τυπικό ύψος των 800 km των αλτιμετρικών δορυφόρων αντιστοιχεί σε μια κυκλική περιοχή αποτυπώματος του παλμού διαμέτρου 22 km. Το μέγεθος αυτό είναι πάρα πολύ μεγάλο για πολλές ερευνητικές εφαρμογές των αλτιμετρικών δεδομένων (παραδείγματος χάριν για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων μεγάλου μήκους/έκτασης (long wavelength features) του θαλάσσιου γεωειδούς).

Είναι επομένως αναγκαίο είτε να

χρησιμοποιηθεί μια μεγαλύτερη αντένα, είτε μια υψηλότερη συχνότητα ή κάποια άλλη βελτίωση στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Μια μεγαλύτερη αντένα στο δορυφόρο δεν αποτελεί πρακτική επιλογή, ενώ στις υψηλότερες συχνότητες, υπάρχει

μεγαλύτερη ατμοσφαιρική καθυστέρηση του επιστρεφόμενου σήματος. Επομένως η μόνη λογικά εναλλακτική λύση είναι η χρήση του λεγόμενης τεχνικής της αλτιμετρίας “περιορισμένου παλμού” (pulse limited altimetry). Κατ' αυτό τον τρόπο, η αιχμή του ανακλώμενου παλμού παρέχει τις αναγκαίες πληροφορίες σε ικανοποιητικό βαθμό για να γίνει μια ακριβής εκτίμηση του ύψους της επιφάνειας της θάλασσας σε μια σημαντικά μικρότερη περιοχή του αποτυπώματος του παλμού, από την ανάλυση της διαστρέβλωση του παλμού κατά την επιστροφή του.


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


Υπάρχει επίσης ένα δεύτερο πρόβλημα

που συνδέεται με τη συχνότητα της χρησιμοποιούμενης μικροκυματικής ακτινοβολίας: όταν μια επιφάνεια όπως η θάλασσα φωτίζεται από μια ενιαία (συνεκτική) πηγή ακτινοβολίας, οι διαφορές στο οπτικό μήκος πολλαπλών διαδρομών της ανακλώμενης ακτινοβολίας (π.χ. εξ αιτίας της παρουσίας κυμάτων) προκαλούν την λεγόμενη εποικοδομητική και καταστρεπτική παρεμβολή που μπορεί να διαστρεβλώσει ριζικά το σήμα που παραλαμβάνεται από τον αισθητήρα ραντάρ στον δορυφόρο. Για να αποφευχθούν, τουλάχιστον εν μέρει, τα προβλήματα της εν λόγω παρεμβολής (που είναι γνωστή ως εξασθένιση (fading)), τα σήματα του αλτίμετρου ραντάρ "συμπιέζονται", δίνοντας τους ένα περιορισμένο μήκος συνοχής (coherence length) που είναι αρκετά μικρό να αποφεύγεται η εξασθένηση για όλους σχεδόν τους τύπους των επιφανειών (εκτός πιθανά από τις πιο επίπεδες) που δρουν ως ανακλαστήρες. Το εύρος ζώνης (bandwidth) ενός αλτίμετρου ορίζεται ως η διασπορά της συχνότητας της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, στους δορυφόρους ERS-1 και -2, το εύρος ζώνης των αλτιμέτρων ραντάρ που χρησιμοποιούν είναι 330 MHz, που συνεπάγεται ένα μήκος συνοχής του παλμού περίπου 90 cm.

Ένας αλτίμετρο ραντάρ περιορισμένου παλμού εκπέμπει έναν πολύ σύντομο παλμό μικροκυμάτων που ανακλάται από την επιφάνεια της θάλασσας με τον ακόλουθο τρόπο: • Σε πρώτο στάδιο, η επιφάνεια υποτίθεται

ότι είναι ομαλή και η ακτινοβολία μη συνεκτική (incoherent).

• Η αιχμή του παλμού (pulse leading edge) χτυπά την επιφάνεια και ένα

ανακλώμενο σήμα αρχίζει να επιστρέφει στο δορυφόρο.

• Η φωτισμένη περιοχή αυξάνεται γραμμικά διαμορφώνοντας μια κυκλική περιοχή έως ότου το απώτατο άκρο (pulse trailing edge) του παλμού μικροκυμάτων φτάνει στην επιφάνεια. Η ένταση της επιστρεφόμενης ακτινοβολίας είναι ανάλογη προς τη φωτισμένη περιοχή, που συνεπάγεται ότι υπάρχει μια σταθερή αύξηση στην ένταση της ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τα ανακλώμενα σήματα.

• Δεδομένου ότι ο εκπεμπόμενος παλμός συνεχίζει να διαδίδεται, η φωτισμένη περιοχή λαμβάνει τη μορφή ενός δακτυλίου που διαδίδει προς τα έξω μέχρις ενός σημείου όπου το εμβαδόν του δακτυλίου διατηρείται σταθερό.

Από την παραπάνω διαδικασία, μπορεί

επομένως να γίνει η μέτρηση της απόστασης του δορυφόρου από την επιφάνεια της θάλασσας από τον χρόνο επιστροφής της αιχμής του ανακλώμενου σήματος. Επιπλέον, όπου η επιφάνεια δεν είναι ομαλή, όπως είναι συνήθως η περίπτωση της επιφάνειας της θάλασσας, το αναμενόμενο ιδανικό ανακλώμενο σήμα διαστρεβλώνεται από διάφορες αιτίες. Η παρουσία κυμάτων στην περιοχή του αποτυπώματος του παλμού προκαλεί αντανάκλαση του παλμού από τις κορυφές των κυμάτων προς τα έξω ενώ ταυτόχρονα ο φωτισμένος δίσκος αυξάνεται. Το μέγεθος του αποτυπώματος του παλμού εξαρτάται επομένως από το λεγόμενο σημαντικό ύψος των κυμάτων (Significant Wave Height, SWH) μέσα στην περιοχή ανάκλασης του περιορισμένου παλμού.


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


Για παράδειγμα, στην περίπτωση του φωτισμού μιας ομαλής επιφάνειας θάλασσας από μια μη συνεκτική ακτινοβολία, το μέγεθος (διάμετρος) του αποτυπώματος του παλμού ενός αλτίμετρου σε υψόμετρο 800 km, που χρησιμοποιεί σήματα π.χ. στη ζώνη Ku (Ku-band) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, είναι λιγότερο από 2 km. Όπου όμως υπάρχουν κύματα στη περιοχή του αποτυπώματος του αλτίμετρου, η επιφάνεια της θάλασσας που συμβάλλει στην ανάκλαση του σήματος αυξάνεται. Από τη χρονική στιγμή που η αιχμή του παλμού φθάνει στις κορυφές των κυμάτων κάτω από

το ναδίρ του δορυφόρου, η ακτίνα του αποτυπώματος του παλμού αυξάνεται γραμμικά, έως τη στιγμή που το απώτερο άκρο του παλμού φθάνει στις παρυφές των κυμάτων κάτω από το ναδίρ του δορυφόρου. Ο πρόσθετος χρόνος που απαιτείται για να φθάσει το απώτερο άκρο του παλμού στις παρυφές των κυμάτων σε σύγκριση με τον χρόνο που απαιτείται για να φθάσει η αιχμή του παλμού στις κορυφές των κυμάτων οδηγεί σε ένα αποτύπωμα μεγαλύτερης ακτίνας προτού ο παλμός διαμορφωθεί σε δακτύλιο σταθερού εμβαδού.

ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ (Έτος εκτόξευσης)

Συχνότητα GHz

BandwidthMHz

Μήκος κύματος λ (m)

Ύψος (km)

Αποτύπωμα (km)

Διάρκεια παλμού (nsec)

SKYLAB (1973) 13.56 100 0.02 435 8 100 GEOS-3 (1974) 13.9 80 0.02 840 3.6 12.5 SEASAT (1978) 13.5 320 0.02 800 2.4-12 3.125 GEOSAT (1985) 13.5 320 0.02 800 1.7 3 ERS-1 (1991) 13.5 330, 82.5 0.02 800 1.7-20 3 TOPEX/Poseidon (1992) 5.3 &

13.65 320 0.0566

& 0.02205

1330 2.2 3

ERS-2 (1995) 13.5 330, 82.5 0.02 800 1.7-20 3 GEOSAT Follow-On (1998) 13.5 320 0.02 800 1.7 3

JASON (2001) 5.3 & 13.575 320 ή 100 0.0566

& 0.02 1330 2.2 3

ENVISAT (2002) 3.2 & 13.575

320, 80 & 20

0.0936 &

0.02208 800 1.7 3

Όταν το κυκλικό αποτύπωμα ενός

παλμού φθάνει στο μέγιστο βαθμό του, το επιστρεφόμενο σήμα από τη συνεχώς αυξανόμενη σφαιρική επιφάνεια του παλμού ανακλάται από τις παρυφές των κυμάτων στο κέντρο και τις κορυφές των κυμάτων στην άκρη του αποτυπώματος. Ουσιαστικά, η συνολική περιοχή της επιφάνειας που προκαλεί την ανάκλαση δεν αυξάνεται από την αυξανόμενη ακτίνα του αποτυπώματος του παλμού και ως εκ τούτου η ένταση των ανακλώμενων σημάτων δεν επηρεάζεται. Ωστόσο, η κατανομή των επιμέρους ανακλάσεων, δεν είναι πλέον απλό να περιγραφεί από ένα μοντέλο, γεγονός που οδηγεί γενικά σε ένα σφάλμα που εξαρτάται το σημαντικό ύψος των κυμάτων SWH και

από την τραχύτητα της θαλάσσιας επιφάνειας που προκαλείται με τις επιδράσεις των ανέμων. Τα σφάλματα αυτά είναι γνωστά ως σφάλματα της κατάστασης της θάλασσας (Sea State Bias) για τα οποία γίνεται αναφορά αργότερα. Στη περίπτωση που το σημαντικό ύψος των κυμάτων είναι γνωστό (π.χ. σε συγκεκριμένες περιοχές όπου επιτελείται η βαθμονόμηση των αλτιμέτρων), τα σφάλματα αυτά μπορούν να προσδιορισθούν εμπειρικά και να προσδιορισθούν τα αντίστοιχα μοντέλα των σφαλμάτων της κατάστασης της θάλασσας για το αλτίμετρο του εκάστοτε δορυφόρου.

Τέλος από την ένταση του ανακλώμενου

σήματος, μπορεί να υπολογιστεί η μικρής


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


κλίμακας τραχύτητα της θαλάσσιας επιφάνειας, και ως εκ τούτου να μετρηθεί η ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας ― σε αυτή τη διαδικασία βασίζονται και τα ραντάρ διασκορπισμού για τη μέτρηση του μεγέθους και της ταχύτητας των ανέμων (Wind Scatterometers) στους δορυφόρους SEASAT και ERS-1.

Το τελικό στάδιο στη διάδοση του

παλμού ενός αλτίμετρου ραντάρ είναι η ανίχνευση και ανάλυση του ανακλώμενου παλμού από τα ηλεκτρονικά όργανα στο δορυφόρο. Οι πραγματικές ηχώ που λαμβάνονται από το αλτίμετρο είναι αποτέλεσμα του αθροίσματος της ανάκλασης του σήματος από πολλαπλά σημεία της θαλάσσιας επιφάνειας που περικλείεται από το αποτύπωμα του εκάστοτε παλμού και

κατά συνέπεια της προσαύξησης του εύρους και της φάσης πολλών μικροκυμάτων. Το λαμβανόμενο σήμα επομένως περιέχει τα στατιστικά χαρακτηριστικά της φωτισμένης περιοχής σε σχέση με τον εκπεμπόμενο παλμό.

Για να μειωθεί η αβεβαιότητα σε αυτές τις μετρήσεις, οι παλμοί εκπέμπονται ανά τακτά σύντομα διαστήματα και λαμβάνεται ένας μέσος όρος των πρωτογενών μετρήσεων κάθε 50 έως 100 φορές για να παραχθούν μέσα διαγράμματα της ηχούς με ρυθμό 10-20 Hz, που καταχωρούνται στον δορυφόρο και μεταδίδονται αργότερα σε συγκεκριμένους επίγειους σταθμούς για περαιτέρω επεξεργασία και διάθεση τους διάφορους χρήστες των αλτιμετρικών δεδομένων.

6.04 ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΤΩΝ

ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΚΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ

Η χρησιμότητα των δορυφόρων εφοδιασμένων με αλτίμετρα ραντάρ, όπως και με τους δορυφόρους με αισθητήρες SAR, εξαρτάται κατά ένα μεγάλο ποσοστό από τον σχεδιασμό της τροχιάς τους και ιδιαίτερα από συγκεκριμένες κρίσιμες τροχιακές παραμέτρους όπως το ύψος και η περίοδος περιστροφής του δορυφόρου, και η κλίση της τροχιάς. Για παράδειγμα, η κλίση της τροχιάς προσδιορίζει τις περιοχές που πρόκειται να καλύψει ο δορυφόρος με τις μετρήσεις του, ενώ το μέγεθος του μεγάλου ημιάξονα της τροχιάς (ή αντίστοιχα το υψόμετρο του δορυφόρου) προσδιορίζει τη χρονική και χωρική κάλυψη της επιφάνεια της Γης από τις μετρήσεις. Επίσης οι διαταρακτικές δυνάμεις που ασκούνται στον δορυφόρο, και συνεπώς η ακρίβεια με την οποία μπορεί να υπολογισθεί η τροχιά του, εξαρτώνται από το ύψος του δορυφόρου. Συνεπώς, οι παράγοντες ακρίβεια, κάλυψη και δειγματοληψία των μετρήσεων σχετίζονται μεταξύ τους, αλλά δεν μπορούν να βελτιστοποιηθούν όλοι μαζί συγχρόνως από την επιλογή μιας συγκεκριμένης τροχιάς. Με άλλα λόγια, η επιλογή μιας καθορισμένης τροχιάς απαιτεί τη σύγκριση της με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά μιας άλλης επιλογής και την αξιολόγηση των συγκριτικών πλεονεκτημάτων κάθε περίπτωσης σε σχέση με τους προδιαγραφόμενους στόχους της αποστολής του κάστοτε δορυφόρου. ε

Πρωτίστως, ο πλέον σημαντικός παράγοντας είναι η ακρίβεια. Δεδομένου ότι τα σύγχρονα αλτίμετρα παρέχουν δυνατότητες μέτρησης της απόστασης από την επιφάνεια της θάλασσας με ακρίβεια 2-5 cm, και οι απαιτήσεις είναι από τα αλτιμετρικά δεδομένα να μπορούν να ανιχνευθούν και να μετρηθούν με αντίστοιχη ακρίβεια ποικίλα φαινόμενα που σχετίζονται με τη δυναμική κατάσταση των θαλασσών (π.χ., ρεύματα, παλίρροιες, ύψος κυμάτων, κ.ά.), θα πρέπει η ακτίνα της τροχιάς να μπορεί να υπολογισθεί με μια ακρίβεια περίπου 5 cm για τροχιακά τόξα αρκετών δεκάδων χιλιομέτρων. Αυτό είναι σήμερα εφικτό χρησιμοποιώντας συνδυασμό συστημάτων όπως τα SLR, DORIS και GPS για τη συνεχή παρακολούθηση των αλτιμετρικών δορυφόρων.


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


∆ΟΡΥΦΟΡΟΣ (Έτος εκτόξευσης)

Περίοδος περιστροφής

(min.)

Ύψος τροχιάς (km)

Κλίση τροχιάς (ο)

Περίοδος επανάληψης

(μέρες) SKYLAB (1973) 93.10 435 50 μεταβαλλόμενη GEOS-3 (1974) 100.60 845 115 μεταβαλλόμενη SEASAT (1978) 100.80 800 108 3, 17,

μεταβαλλόμενη GEOSAT (1985) 101.70 785.5 108.1 17.05 ERS-1 (1991) 101.70 785 98.5 3, 35, 176 TOPEX/Poseidon (1992)

112.47 1330 66 10

ERS-2 (1995) 100.48 781.36 98.54 35 GEOSAT Follow-On (1998)

100.90 800 108 17

JASON (2001) ENVISAT (2002)

Όσον αφορά τη κάλυψη που παρέχουν

οι μετρήσεις ενός δορυφόρου αλτιμετρίας, υπάρχουν τέσσερις καθοριστικοί παράγοντες που προσδιορίζουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά της τροχιάς που λαμβάνονται υπόψη:

1. τα απώτερα όρια στο γεωγραφικό

πλάτος της ζώνης που σχηματίζεται από τα επίγεια ίχνη της τροχιάς,

2. οι αποστάσεις των σημείων του “κανάβου” που σχηματίζουν τα επίγεια ίχνη της τροχιάς,

3. το χρονικό διάστημα του πλήρους κύκλου επανάληψης των επίγειων ιχνών της τροχιάς και

4. η γωνία που σχηματίζουν τα επίγεια ίχνη των τροχιών στα σημεία τομής τους. Για την εκτεταμένη κάλυψη των

ωκεάνιων περιοχών από τις μετρήσεις, θα πρέπει η κλίση της τροχιάς να είναι όσο το δυνατόν πλησιέστερα στους 90ο. Αυτό ωστόσο δημιουργεί επίγεια ίχνη τα οποία είναι σχεδόν παράλληλα και συνεπώς μια τέτοια επιλογή δεν συμβαδίζει με την ανάγκη τα ίχνη της τροχιάς να τέμνονται με όσο το δυνατό μεγαλύτερες γωνίες

(παράγοντας 4), ώστε να είναι δυνατόν να μετρηθούν οι δύο χωρικές συνιστώσες των ωκεάνιων ρευμάτων. Ένας λογικός συγκερασμός των παραγόντων 1 και 4 είναι οι τροχιές που επιλέγονται να έχουν κλίση περίπου 65ο ή 105ο, που παράγουν επίγεια ίχνη που τέμνονται κατά περίπου 40ο στον ισημερινό και καλύπτουν σχεδόν εξ ολοκλήρου τους ωκεανούς και στα δύο ημισφαίρια. Η σωστή επιλογή της κλίσης της τροχιάς επηρεάζεται επίσης από το γεγονός ότι οι τροχιές των δορυφόρων με αλτίμετρα δεν πρέπει να είναι ηλιο-σύγχρονες, δεδομένου ότι σε μια τέτοια περίπτωση οι αλτιμετρικές μετρήσεις θα ήταν σε συμφωνία με τη φάση των κυριοτέρων παλιρροιών και συνεπώς θα ήταν αδύνατο να μετρηθούν και διαχωριστούν οι τελευταίες από τις άλλες παραμέτρους της δυναμικής κατάστασης των θαλασσών (π.χ. τα ωκεάνια ρεύματα). Δεδομένου ότι ο ρυθμός μεταβολής dΩ/dt του προσανατολισμού του τροχιακού επιπέδου είναι συνάρτηση του μεγάλου ημιάξονα και της κλίσης της τροχιάς

dΩ/dt = -1.5 C20 nR / [a(1 -e2)]2 cos i + ...


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


είναι εύκολο να συμπεράνει κανείς ότι τροχιές με κλίση περίπου 65ο ή 115ο και μεγάλο ημιάξονα μεταξύ 1000 και 2500 km είναι σχεδόν σύγχρονες με τη φάση των παλιρροιών Κ1, S1, P1, T2, S2, R2 και Κ1 και συνεπώς τέτοιες τροχιές αποφεύγονται, επιλέγοντας συνήθως τροχιές με κλίσεις μικρότερες από 65ο.

Για να ελαχιστοποιηθούν οι επιδράσεις

του γεωειδούς στη μέτρηση των δυναμικών μεταβολών της τοπογραφίας των θαλασσών

απαιτείται επανάληψη του ίχνους των τροχιών ανά τακτά διαστήματα, δηλαδή ο δορυφόρος να περνά περιοδικά πάνω από τα ίδια σημεία (με ακρίβεια ±1 km) διαγράφοντας τα “ίδια” επίγεια ίχνη στην επιφάνεια της Γης. Με άλλα λόγια ο δορυφόρος να διαγράφει ένα ακέραιο αριθμό τροχιών (N m+k) σε ένα ακέραιο αριθμό ημερών m ή ο αριθμός των τροχιών κάθε ημέρα να εκφράζεται από ένα ακέραιο αριθμό τροχιών Ν και ένα δεκαδικό μέρος της τροχιάς που εκφράζεται ως k/m. Η αναγκαία συνθήκη στη περίπτωση αυτή είναι να ισχύει η σχέση:

Δλ = [ωΕ – (dΩ/dt)] Τ = [2π / (Ν + (k/m)],

όπου Τ είναι η περίοδος περιστροφής του δορυφόρου και οι αριθμοί k, m, N είναι ακέραιοι.

6.05 Η ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑΣ

Η ανακλώμενη μικροκυματική ενέργεια των παλμών που εκπέμπονται από ένα αλτίμετρο αναλύεται κατάλληλα έτσι ώστε προκύπτει μια ακριβής μέτρηση dt, του χρόνου της διπλής διαδρομής (δηλαδή της μετάδοσης και επιστροφής) του παλμού μεταξύ του δορυφόρου και της επιφάνειας θάλασσας. Η εν λόγω χρονική μέτρηση

πολλαπλασιάζεται με την ταχύτητα του φωτός c (με την οποία ταξιδεύουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα) και παράγει μια πολύ ακριβή μέτρηση hA της απόστασης του δορυφόρου από την επιφάνειας θάλασσας:

hA = c dt / 2


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


Αν, για τη στιγμή της μέτρησης, είναι γνωστή η τροχιά του δορυφόρου, δηλαδή το γεωμετρικό του υψόμετρο hS από το ελλειψοειδές αναφοράς, τότε η διαφορά:

ssh = hS – hA = ζ + ΝGeoid + παλίρροιες + ...

δίνει το ύψος της επιφάνειας της θάλασσας από το ελλειψοειδές αναφοράς στη δεδομένη στιγμή της εκάστοτε μέτρησης. Η τιμή ssh εμπεριέχει διάφορες χρήσιμες πληροφορίες όπως:

Γεωειδές

∆υναμική Τοπογραφία


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


• Το ύψος της επιφάνειας της θάλασσας που θα υπήρχε χωρίς οποιεσδήποτε διαταραχές (π.χ. άνεμοι, ρεύματα, παλίρροιες, κλπ.), δηλαδή τη μέση στάθμη της θάλασσας ή το γεωειδές, που εκφράζει στις παραλλαγές της βαρύτητας σε παγκόσμια κλίμακα, και οι οποίες με τη σειρά τους οφείλονται σε σημαντικές διαφορές της γήινης μάζας και πυκνότητας στο θαλάσσιο πυθμένα. Το μέγεθος των υψομέτρων του γεωειδούς είναι της τάξης ±100 m.

• Την ωκεάνια κυκλοφορία, ή τη δυναμική τοπογραφία των ωκεανών, η οποία περιλαμβάνει μια μόνιμη συνιστώσα (μόνιμη κυκλοφορία που συνδέεται με τη γήινη περιστροφή) και μια μεταβλητή συνιστώσα (λόγω των ανέμων, των παλιρροιών, των εποχιακών μεταβολών, κλπ.). Το μέγεθος των επιδράσεων της δυναμικής τοπογραφίας είναι της τάξης ±1 m.

Η διαφορά στις μεταξύ τους τιμές, των

αποχών του γεωειδούς και της δυναμικής τοπογραφίας, κατά δύο τάξεις μεγέθους υποδηλώνει ότι οι ποσότητες ζ, και Νgeoid δεν μπορούν να διαχωριστούν από το ύψος ssh της επιφάνειας της θάλασσας που προκύπτει από τη μέτρηση του αλτίμετρου, αν δεν υπάρχει κάποια πληροφορία για το πεδίο βαρύτητας της γης ή τις συνιστώσες της θαλάσσιας τοπογραφίας. Με άλλα λόγια δεδομένου ότι τυπικά η δυναμική τοπογραφία σε ένα σημείο έχει μέγεθος περίπου το ένα εκατοστό της αποχής του γεωειδούς στο ίδιο σημείο, σημαίνει ότι το ύψος της επιφάνειας της θάλασσας εκφράζει κυρίως τις τοπικές επιδράσεις της βαρύτητας και ότι οι άλλες επιδράσεις, π.χ. των γεωστροφικών ρευμάτων, είναι πολύ μικρότερες.

Στη περίπτωση που θεωρείται γνωστή η δυναμική τοπογραφία (π.χ. από την ωκεανογραφία), η μέθοδος της δορυφορικής αλτιμετρίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη Γεωδαισία για τον προσδιορισμό του θαλάσσιου γεωειδούς, δηλαδή για την χαρτογράφηση του 70% της επιφάνειας της γης στις θαλάσσιες περιοχές. Ακόμα και στη περίπτωση που δεν υπάρχουν πληροφορίες για τη δυναμική τοπογραφία, μπορεί να θεωρηθεί ότι Νgeoid ≈ ssh με ακρίβεια ±1 m. Αντίστοιχα, ο ευκολότερος τρόπος για να υπολογισθεί η δυναμική τοπογραφία ζ, που αποτελεί και το κύριο ενδιαφέρον πολλών ωκεανογραφικών εφαρμογών, είναι να θεωρηθεί γνωστό από τη Γεωδαισία και να αφαιρεθεί το υψόμετρο του γεωειδούς Νgeoid, από το ύψος ssh της επιφάνειας της θάλασσας από το ελλειψοειδές αναφοράς. Στη περίπτωση αυτή, o υπολογισμός της δυναμικής τοπογραφίας ζ επιτρέπει τον υπολογισμό των γεωστροφικών ρευμάτων από τις θεμελιώδεις εξισώσεις της γεωστροφικής ισορροπίας των ωκεανών

–f vS = -ρo-1 dp/dx

f uS = -ρo-1

dp/dy

–g = ρo-1 dp/dz

όπου ρ=ρo είναι η μέση πυκνότητα του νερού. Από τις παραπάνω σχέσεις και δεδομένου ότι

p ≈ ρ g ζ

οι κλίσεις ∂ζ/∂x και ∂ζ/∂y συνδέονται με τις οριζόντιες συνιστώσες uS και vS της ταχύτητας των γεωστροφικών ρευμάτων στην επιφάνειας της θάλασσας με τις σχέσεις

uS = – (g/f) (∂ζ/∂y) vS = – (g/f) (∂ζ/∂x)

όπου g είναι η τιμή της βαρύτητας και f είναι η δύναμης Coriolis που προκαλείται εξ αιτίας της περιστροφής της Γης. Η δύναμη Coriolis f εξισορροπεί τις κλίσεις (horizontal pressure gradient) στην επιφάνεια της θάλασσας που προκαλούνται από τις διαφορές της ατμοσφαιρικής πίεσης και της πυκνότητας του θαλάσσιου νερού από σημείο σε σημείο και λόγω μεταβολών με το


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


χρόνο. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γεωστροφική ισορροπία στη κίνηση των θαλασσίων μαζών εξ αιτίας των παραπάνω επιδράσεων. Τυπικά, στα μέσα γεωγραφικά πλάτη οι κλίσεις (∂ζ/∂_) που παρατηρούνται είναι της τάξης 1-10 mrad για ταχύτητες ρευμάτων της τάξης 0.1-10 m/sec, ενώ κλίσεις της τάξης 1 m σε απόσταση 100 km (≈ 1 μrad) παρατηρούνται από ισχυρά επιφανειακά ρεύματα. Η πρακτική σημασία της δυνατότητας υπολογισμού των γεωστροφικών ρευμάτων από τις μετρήσεις της δορυφορικής αλτιμετρίας είναι τεράστια, δεδομένης της δυσκολίας και το τεράστιου κόστους για να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα από συμβατικές μετρήσεις από πλοία, πλωτήρες και άλλα μέσα.

Στην πράξη, δεδομένου ότι το γεωειδές δεν είναι ακόμα γνωστό με ανάλογη ακρίβεια παντού, αυτό που αφαιρείται είναι μια μακροχρόνια μέση στάθμη της θάλασσας <ssh> = sshmean = Νgeoid + <ζ> = Νgeoid + ζmean που έχει προσδιορισθεί από την επεξεργασία προηγούμενων μετρήσεων αλτιμετρίας μέχρι σήμερα. Αυτή τη διεργασία, παράγει το μεταβλητό μέρος της κυκλοφορίας των ωκεανών ή τις δυναμικές αποκλίσεις της στάθμης της θάλασσας: Δζ = ssh – sshmean (= ζ – ζmean )

6.06 ΠΗΓΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΣΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΛΤΙΜΕΤΡΙΑΣ

Προκειμένου να αξιοποιηθεί η πλήρης δυνατότητα των μετρήσεων ενός αλτίμετρου ραντάρ, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη διάφορες πηγές σφαλμάτων και να εφαρμοστούν οι σχετικές διορθώσεις τους με μια ακρίβεια που θα πρέπει να είναι συμβατή με την ακρίβεια μέτρησης του εκάστοτε αλτίμετρου. Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες σφαλμάτων που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην επεξεργασία του αλτιμετρικού σήματος και των αντιστοίχων μετρήσεων:

• Σφάλματα που επηρεάζουν τη μέτρηση του ύψους της επιφάνειας της θάλασσας

• Σφάλματα που επηρεάζουν την ερμηνεία των μετρήσεων

Η προέλευση αυτών των σφαλμάτων και των αντίστοιχων διορθώσεών τους μπορεί α χωριστούν σε πέντε κατηγορίες όπως: ν

• Σφάλματα του αλτίμετρου • Σφάλματα εξ αιτίας του μέσου

διάδοσης των σημάτων, δηλαδή της ατμόσφαιρας

• Σφάλματα του γεωειδούς • Μεταβολές χρονικού χαρακτήρα

των ωκεανών • Σφάλματα προσδιορισμού της

δορυφορικής τροχιάς

6.06.1 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΛΤΙΜΕΤΡΟΥ Τα σφάλματα αυτά έχουν να κάνουν με τη λειτουργία του εκάστοτε αλτίμετρου και τις τυχόν ατέλειες ή περιορισμούς της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του. Οι κυριότερες αιτίες είναι οι ξής: ε

• Συστηματικά σφάλματα του

μηχανισμού ανίχνευσης του παλμού (Tracker Bias) Τα εν λόγω σφάλματα προκύπτουν από τον αλγόριθμο που χρησιμοποιείται στον δορυφόρο για την ανίχνευση του ανακλώμενου παλμού και έχει ως σκοπό να παρακολουθεί τις γραμμικές αλλαγές στο μετρούμενο ύψος του αλτίμετρου. Όταν παραδείγματος χάριν το αλτίμετρο κάνει μετρήσεις πάνω από μια στενή ωκεάνια τάφρο, υπάρχει μια απότομη μεταβολή του καταγραφόμενου ύψους της θάλασσας που προκαλεί ένα αντίστοιχο σφάλμα ύψους που πρέπει να αντισταθμιστεί.

• Σφάλματα δειγματοληψίας του

σχήματος του ανακλώμενου παλμού (Waveform Sampler Gain Calibration Bias) Αυτή η διόρθωση απαιτείται εξαιτίας του γεγονότος ότι το εύρος του


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


λαμβανόμενου σήματος ποικίλλει ανάλογα με τη τραχύτητα της επιφάνειας που ανακλά τον παλμό ραντάρ. Οποιεσδήποτε γρήγορες αλλαγές στη ένταση της ηχούς του ραντάρ παραπλανούν το ηλεκτρονικό κύκλωμα που παρακολουθεί τη θέση της αιχμής του επιστρέφοντος παλμού, προκαλώντας έτσι ένα σφάλμα που γενικά εξαρτάται από το σημαντικό ύψος των κυμάτων SWH στην θαλάσσια περιοχή που περιλαμβάνεται στο αποτύπωμα του παλμού.

• Σφάλματα κατεύθυνσης του ραντάρ

(Pointing Errors) Τα σφάλματα αυτά εμφανίζονται όταν το σημείο στη διεύθυνση του ναδίρ του δορυφόρου είναι κοντά στην άκρη της περιοχής που φωτίζεται από το αλτίμετρο ραντάρ. Η προκύπτουσα διαστρέβλωση της ηχούς του ραντάρ παράγει ένα επιπλέον ανεπιθύμητο σφάλμα.

• Θόρυβοι από την ανάλυση της μορφής

του παλμού και χρονικές αβεβαιότητες (Average Pulse Shape Uncertainty and Time Tag Bias) Το σφάλμα στον προσδιορισμό του σχήματος του ανακλώμενου παλμού προέρχεται από τη στατιστική αβεβαιότητα λόγω της τυχαίας μεταβλητότητας των παλμών που χρησιμοποιούνται για να υπολογισθεί η μέση ηχώ του ραντάρ. Τυπικά κατά μέσο όρο χρησιμοποιούνται μερικές εκατοντάδες παλμοί, που συμβάλλουν με ανάλογο θόρυβο στη μέτρηση της μέσης ηχούς. Συναφές με αυτό το είδος σφαλμάτων είναι επίσης τα σφάλματα των χρονομέτρων που καταγράφουν τη χρονική στιγμή των μετρήσεων και μπορεί να προκαλέσουν ανάλογες επιδράσεις στη μέτρηση του ύψους του δορυφόρου από την επιφάνεια της θάλασσας. Τα σφάλματα αυτά συνήθως μπορούν να αντισταθμιστούν μερικώς με διαδικασίες εσωτερικής βαθμονόμησης του αλτίμετρου, οι οποίες αποσκοπούν στο να παρακολουθούν ανελλιπώς τη μακροπρόθεσμη λειτουργία των ηλεκτρονικών του αλτίμετρου.

Αξίζει να σημειωθεί ότι τα αλτίμετρα ραντάρ πραγματοποιούν μετρήσεις και πάνω

από τις ηπειρωτικές περιοχές. Ωστόσο η ανίχνευση του ανακλώμενου παλμού είναι περισσότερο δύσκολη και μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ. όταν οι μετρήσεις γίνονται στις πολικές περιοχές από την ανάκλαση του παλμού στους πάγους) είναι δυνατή η αξιοποίηση των δεδομένων κατόπιν ειδικής μετεπεξεργασίας (retracking process), που είναι αναγκαία δεδομένου ότι η κλίση του εδάφους ή της επιφάνειας δεν επιτρέπει πάντοτε την ανάκλαση του σήματος προς τον δορυφόρο.

Εξ αιτίας των παραπάνω σφαλμάτων, ακολουθείται συνήθως κατά τη περίοδο δοκιμών του εκάστοτε αλτιμετρικού δορυφόρου, αμέσως μετά την εκτόξευση του και μετέπειτα κατά τη διάρκεια της πλήρους λειτουργίας του, μια πολύπλοκη διαδικασία βαθμονόμησης του εκάστοτε αλτίμετρου. Η σημασία αυτής της διαδικασίας είναι εξαιρετικά κρίσιμη για τις μετέπειτα αναλύσεις των αλτιμετρικών δεδομένων και τη σωστή κατανόηση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων που προκύπτουν. Η βαθμονόμηση στηρίζεται σε ανεξάρτητες τεχνικές μετρήσεων και ανάλυσης που επιτρέπουν την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του αλτίμετρου και της αξιοπιστίας των δεδομένων που συλλέγονται. Οι τεχνικές αυτές περιλαμβάνουν κυρίως:


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


• Πλατφόρμες και μικρά νησάκια πάνω από τα οποία διέρχεται ο δορυφόρος, έτσι ώστε σε αυτά ή γύρω από αυτά μπορούν να τοποθετηθούν διάφορα όργανα (π.χ. μεταφερόμενα SLR, GPS, πλωτήρες με GPS, παλιρροιογράφοι κ.ά.) από τα οποία ελέγχονται η ακρίβεια των μετρήσεων του αλτίμετρου και άλλοι σημαντικοί παράμετροι της λειτουργίας του όλου συστήματος.

Για παράδειγμα, για τη βαθμονόμηση του TOPEX/Poseidon χρησιμοποιούνται μια πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου ανοικτά των ακτών της νότιας

Καλιφόρνιας και το νησί Lampedusa στη Μεσόγειο. Για τις αντίστοιχες διαδικασίες βαθμονόμησης του δορυφόρου JASON-1 χρησιμοποιείται επίσης και το νησί της Γαύδου νότια της Κρήτης, δεδομένου ότι ένα από τα σημεία τομής των επίγειων ιχνών δύο ανερχόμενων και κατερχόμενων τροχιακών τόξων των δορυφόρων TOPEX/Poseidon και JASON-1 βρίσκεται στο θαλάσσιο χώρο του νησιού.

• Μόνιμους σταθμούς παλιρροιογράφων

(περίπου 70 σταθμοί σε παγκόσμιο επίπεδο) των οποίων τα δεδομένα χρησιμοποιούνται ως μέτρο σύγκρισης με τα δεδομένα των αλτιμετρικών μετρήσεων στην περιοχή των παλιρροιογράφων. Το πρόβλημα με αυτή τη τεχνική είναι ότι τα σημεία όπου βρίσκονται οι παλιρροιογράφοι μπορεί να μετακινούνται εξ αιτίας τεκτονικών μικρομετακινήσεων, ώστε να είναι δύσκολο να διαχωριστούν τυχόν αλλαγές στη στάθμη της θάλασσας από τυχόν τεκτονικές μικρομετακινήσεις. Για το λόγο αυτό συνήθως επιλέγονται σταθμοί παλιρροιογράφων όπου υπάρχουν συγχρόνως και μόνιμοι δέκτες GPS ή άλλα παρόμοια συστήματα εντοπισμού, όπως το DORIS.

6.06.2 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΕΞ ΑΙΤΙΑΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ

Ο παλμός ενός αλτίμετρου ραντάρ που

εκπέμπεται από έναν δορυφόρο πρέπει να ταξιδέψει μέσο της γήινης ατμόσφαιρας πριν ανακλαστεί στην επιφάνεια της θάλασσας για να επιστρέψει μεσώ της ατμόσφαιρας στο δορυφόρο. Ωστόσο, καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν μεσώ της ατμόσφαιρας, επιβραδύνονται από τους υδρατμούς της τροπόσφαιρας ή από τα ιονισμένα μόρια της ιονόσφαιρας. Κατά συνέπεια η πρώτη απαίτηση της λειτουργίας των αλτιμέτρων ραντάρ, όπως και για οποιοδήποτε όργανο τηλεπισκόπησης που

αποσκοπεί να παρατηρήσει τη γήινη επιφάνεια, είναι ότι η ατμοσφαιρική μείωση του ηλεκτρομαγνητικού σήματος να είναι αρκετά μικρή ώστε η ανίχνευση της επιστροφής του παλμού να είναι δυνατή. Στο μεγαλύτερο μέρους της υπέρυθρης περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, η μείωση των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων είναι μεγάλη οφειλόμενη στον ατμοσφαιρικό υδρατμό και αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο. Ωστόσο, στην περιοχή των μικροκυμάτων μεταξύ 100 MHz και 10 GHz, η


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


καθυστέρηση των σημάτων κατά τη διαδρομή τους διαμέσου των στρωμάτων της ατμόσφαιρας κατά μήκος της διεύθυνσης του ναδίρ του δορυφόρου είναι μεν μικρή, αλλά σημαντική για τις κύριες εφαρμογές της αλτιμετρίας, όπου απαιτείται η γνώση της δυναμικής τοπογραφίας της θαλάσσιας επιφάνειας με ακρίβεια ~ 1 cm.

Ο χρόνος που παρέρχεται κατά τη

διάρκεια μιας τέτοιας διαδρομής, πολλαπλασιασμένος με την ταχύτητα του φωτός στο κενό εκφράζει ένα μέτρο της οπτικής απόστασης που διανύθηκε από τον παλμό. Αυτό το μέτρο διαφέρει από την πραγματική απόσταση λόγω της επιβράδυνσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τους υδρατμούς της τροπόσφαιρας ή από τα ιονισμένα μόρια της και των χαρακτηριστικών της επιφάνειας που αντανακλά τον παλμό. Επιπλέον, η μέτρηση της απόστασης περιέχει ποικίλες ωκεανογραφικές πληροφορίες που ενδιαφέρουν τις εκάστοτε συγκεκριμένες εφαρμογές και πρέπει να διαχωριστούν. Η διόρθωση των αλτιμετρικών δεδομένων για αυτές τις επιδράσεις είναι επομένως απαραίτητη ώστε από τα εκάστοτε δεδομένα να μπορούν να εξαχθούν οι εκάστοτε ζητούμενες χρήσιμες γεωδαιτικές ή ωκεανογραφικές πληροφορίες. Γενικά, με τη χρήση σημάτων στις συχνότητες Χ- και Ku-band, τα αλτίμετρα ραντάρ επιτρέπουν, μετά από κατάλληλες διορθώσεις και τη χρήση μοντέλων για τα παραπάνω φαινόμενα, η τελικά διορθωμένη απόσταση του δορυφόρου από την επιφάνεια της θάλασσας να υπολογίζεται με ακρίβεια περίπου 1-2 cm.

Σφάλματα των επιδράσεων της Τροπόσφαιρας

Η τροπόσφαιρα είναι το χαμηλότερο μέρος της ατμόσφαιρας, που επεκτείνεται από το επίγειο επίπεδο μέχρι ένα ύψος περίπου 11 km και περιέχει περίπου το 90% της ατμοσφαιρικής μάζας, παρουσιάζοντας τη μεγαλύτερη οπτική καθυστέρηση ενός σήματος μικροκυμάτων εξ αιτίας δύο κυρίων παραγόντων: αρχικά μεσώ της μάζας και της πυκνότητας του ξηρού αέρα, και αφετέρου μεσώ της καθυστέρησης του παλμού από τους ατμοσφαιρικούς

υδρατμούς. Η επίδραση του ξηρού μέρους της τροπόσφαιρας μπορεί να εκτιμηθεί από τη μάζα και την πυκνότητα της στήλης του αέρα μεσώ της οποίας διέρχεται ο παλμός. Η αντίστοιχη διόρθωση προκύπτει από την ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας P, και εκφράζεται από τη σχέση

δρ = -2.277 P (1+0.0026 cos (2φ)) dry όπου φ είναι το γεωγραφικό πλάτος του σημείου παρατήρησης. Αυτό παράγει μια διόρθωση της τάξης 2.2-2.3 m, με μια ακρίβεια που υπολογίζεται λιγότερο από μερικά χιλιοστόμετρα.

Η διόρθωση για την επίδραση του υγρού

μέρους της τροπόσφαιρας δεν μπορεί να υπολογισθεί με τόση ακρίβεια, δεδομένου ότι εξαρτάται από το ποσό των υδρατμών κατά μήκος της διαδρομής του σήματος. Η εν λόγω διόρθωση μπορεί να υπολογιστεί με δύο συνήθεις τρόπους: είτε από άμεσες ταυτόχρονες μετρήσεις με ενεργά ή παθητικά ραδιόμετρα μικροκυμάτων σε δύο ή περισσότερες συχνότητες, είτε από μετεωρολογικές προβλέψεις της περιεκτικότητας σε υδρατμό τη χρονική στιγμή και τη θέση της μέτρησης του αλτίμετρου. Ο δεύτερος τρόπος μπορεί γενικά να επιλύσει μόνο τις μεγάλης έκτασης μεταβολές (long wavelength variations) στις συγκεντρώσεις υδρατμού, χωρίς τις πληροφορίες για τις πραγματικά υφιστάμενες συνθήκες που παρέχονται από τα ραδιόμετρα υγρασίας, των οποίων οι μετρήσεις είναι επομένως πιο αξιόπιστες.

Για τα αλτίμετρα στους πρώτους αλτιμετρικούς δορυφόρους (π.χ. GEOSAT) χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα, όπως το Fleet National Oceanographic Centre (FNOC) μοντέλο, της μορφής


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


δρ = -2.277(0.05+(1255/T)) (e) FNOC όπου Τ είναι η ατμοσφαιρική θερμοκρασία της θαλάσσιας επιφάνειας σε βαθμούς Kelvin και e είναι η πίεση του υδρατμού στην επιφάνεια σε millibar. Οι πιο πρόσφατοι δορυφόροι (π.χ. οι ERS-, TOPEX/Poseidon, κλπ.) χρησιμοποιούν ραδιόμετρα υγρασίας διπλής συχνότητας, από τα οποία προκύπτουν απευθείας διορθώσεις της τάξης μέχρι 35 cm.

Σφάλματα των επιδράσεων της Ιονόσφαιρας

Η ιονόσφαιρα αποτελείται από διάφορα ιονισμένα στρώματα μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα, που επεκτείνονται από το ύψος των 70 km μέχρι και αρκετά χιλιόμετρα. Οι ακραίες ακτινοβολίες των υπεριωδών ακτίνων (Extreme Ultra Violet, EUV) και των ακτίνων-Χ από τον Ήλιο, που προσκρούουν στα στρώματα της ιονόσφαιρας, έχουν ικανή ενέργεια ώστε να ελευθερώνουν ηλεκτρόνια από τα άτομα που βρίσκονται σε αυτό το ύψος της γήινης ατμόσφαιρας. Τα μικροκύματα αλληλεπιδρούν έντονα με αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, προκαλώντας την καθυστέρηση των σημάτων. Ο δείκτης διάθλασης των ιονισμένων στρωμάτων της ιονόσφαιρας είναι συνάρτηση του αριθμού (της

πυκνότητας) των ελεύθερων ηλεκτρονίων, του λεγόμενου Total Electron Content (TEC), που υπολογίζεται από μοντέλα βασισμένα σε ραδιοσήματα σε δύο συχνότητες.

Στο παρελθόν όλοι οι αλτιμετρικοί δορυφόροι, εκτός του TOPEX/Poseidon δεν διέθεταν τη δυνατότητα μέτρησης της ιονοσφαιρικής διόρθωσης από δύο συχνότητες. Με το δορυφόρο TOPEX/Poseidon και τους μετέπειτα δορυφόρους, η σύγκριση των μετρήσεων του αλτίμετρου στις συχνότητες Ku και C, παρέχει αξιόπιστες διορθώσεις της παραπάνω επίδρασης. Το ίδιο είναι εμμέσως δυνατόν και από τις μετρήσεις των συστημάτων DORIS ή PRARE που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση των δορυφόρων και τον υπολογισμό της τροχιάς τους.

6.06.3 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΤΟΥ ΓΕΩΕΙΔΟΥΣ ΚΑΙ Η ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥΣ

Όπως έχει ήδη αναφερθεί, για να

ληφθούν πληροφορίες για τη δυναμική κατάσταση των ωκεανών από τις μετρήσεις της αλτιμετρίας για το ύψος της θαλάσσιας επιφάνειας, απαιτείται η λεπτομερής γνώση της μορφής του γεωειδούς.

Οι χωρικές αλλαγές του γεωειδούς

μπορεί να ποικίλουν κατά αρκετά μέτρα σε αποστάσεις μερικών χιλιομέτρων, ιδιαίτερα στις περιοχές όπου υπάρχουν υποθαλάσσιες τάφροι ή κορυφογραμμές, σε αντίθεση με τις μεταβολές της τοπογραφίας της επιφάνειας της θάλασσας που δεν υπερβαίνουν το 1-1.5 m. Προκειμένου να

καθοριστεί η τοπογραφία της θαλάσσιας επιφάνειας, με ακρίβεια αντίστοιχη εκείνης των αλτιμετρικών μετρήσεων, είναι απαραίτητο να είναι γνωστή η μορφή του γεωειδούς με ακρίβεια τουλάχιστον 10 cm στις χωρικές κλίμακες που αντιστοιχούν στα μήκη των ωκεάνιων χαρακτηριστικών που επιζητείται να υπολογιστούν από τις μετρήσεις αλτιμετρίας.

Τα σημερινά μοντέλα του γεωειδούς (π.χ. από σφαιρικές αρμονικές) ικανοποιούν αυτή την απαίτηση για χαρακτηριστικά γνωρίσματα του γεωειδούς που εκτείνονται σε μήκη μεγαλύτερα από περίπου 1600 km.


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


Τα ομαλοποιημένα υψόμετρα του γεωειδούς σε αποστάσεις μεγαλύτερες από περίπου 1600 km είναι γνωστά με ακρίβεια περίπου ±15 cm. Σε τοπικές κλίμακες, τα υψόμετρα του γεωειδούς είναι λιγότερο γνωστά, με ακρίβειες ±50 cm. Ως εκ τούτου, οι δορυφόροι με αλτίμετρα ραντάρ τοποθετούνται σε επαναλαμβανόμενες τροχιές, όπως ήδη αναφέρθηκε. Το γεγονός αυτό επιτρέπει παίρνοντας τη διαφορά των υψομέτρων της επιφάνειας της θάλασσας στα σημεία κατά μήκος ενός επίγειου ίχνους από τα αντίστοιχα υψόμετρα της επιφάνειας της θάλασσας στα (σχεδόν) ίδια σημεία κατά μήκος ενός επαναλαμβανόμενου επίγειου ίχνους, να παρατηρηθούν οι

αλλαγές στη τοπογραφία της επιφάνειας της θάλασσας χωρίς να απαιτείται η γνώση του γεωειδούς. Με τον τρόπο αυτό παρατηρούνται οι αποκλίσεις από τη μέση στάθμη των θαλασσών, που με τη σειρά τους αν αφαιρεθούν οι επιδράσεις των παλιρροιών από κατάλληλα μοντέλα εκφράζουν τη λεγόμενες θαλάσσιες μεταβολές μεσαίας κλίμακας (mesoscale variations) που οφείλονται κυρίως στα θαλάσσια ρεύματα και άλλες δυναμικές μεταβολές όπως οι στροβιλισμοί (eddies) που επεκτείνονται στην θαλάσσια επιφάνεια σε αποστάσεις από 20 μέχρι 500 km και διαρκούν από μερικές μέρες μέχρι μερικές βδομάδες.

6.06.4 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΧΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ

Σφάλματα της επίδρασης της ατμοσφαιρικής πίεσης

Το φαινόμενο της αντίστροφης επίδρασης της ατμοσφαιρικής πίεσης (inverse barometer effect) είναι απλά η συμπίεση της επιφάνειας της θάλασσας από το βάρος της στήλης του αέρα που στηρίζεται σε αυτή, κατ’ αναλογία περίπου 10 mm στην αλλαγή του ύψους της επιφάνειας της θάλασσας ανά mbar αλλαγής της ατμοσφαιρικής πίεσης


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


στην επιφάνειας της θάλασσας. Η στιγμιαία ατμοσφαιρική πίεση P, σε mbar, στο σημείο μιας αλτιμετρικής μέτρησης μπορεί να ληφθεί από μοντέλα της επίδρασης της ξηρής τροπόσφαιρας. Η διόρθωση δρinvB της απόστασης του αλτίμετρου από την επιφάνεια της θάλασσας εξ αιτίας της αντίστροφης ατμοσφαιρικής πίεσης , υπολογίζεται (σε m) από την τοπική στιγμιαία ατμοσφαιρική πίεση P από τη σχέση:

δρ = -0.09948 (P - 1013.3)invB

Προβλήματα στην παραπάνω προσέγγιση μπορούν να προκύψουν όταν το αλτίμετρο κάνει μετρήσεις σε θαλάσσιες περιοχές κοντά σε θύελλες ή κοντά στις ακτές όπου άλλες επιδράσεις όπως η κατάσταση των ανέμων συσχετίζονται με την ατμοσφαιρική πίεση.

Σφάλματα εξ αιτίας της κατάστασης της θάλασσας

Ένας αλτίμετρο ραντάρ μετρά τη απόσταση από το δορυφόρο στην επιφάνεια της θάλασσας. Η τιμή που υπολογίζεται είναι μια εκτίμηση της απόστασης της μέσης επιφάνειας ανάκλασης του παλμού, η οποία είναι γενικά διαφορετική από τη μέση επιφάνεια της θάλασσας. Οι παράγοντες που συμβάλουν σε αυτό το σφάλμα είναι δύο: το λεγόμενο ηλεκτρομαγνητικό συστηματικό σφάλμα (electromagnetic sea state bias), και τα σφάλματα των διαφόρων μοντέλων που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία του σήματος ραντάρ στον δορυφόρο.

Το ηλεκτρομαγνητικό συστηματικό

σφάλμα (Sea state electromagnetic bias)

συνδέεται με το σημαντικό ύψος των κυμάτων στην επιφάνεια θάλασσας. Οι παρυφές των κυμάτων είναι γενικά επίπεδες σε σύγκριση με τις κορυφές των κυμάτων, γεγονός που προκαλεί ισχυρότερη αντανάκλαση του παλμού από τις παρυφές των κυμάτων παρά από τις κορυφές των κυμάτων. Κατά την επεξεργασία του ανακλώμενου παλμού στον δορυφόρο, χρησιμοποιούνται πολύπλοκα μοντέλα που υποθέτουν μια κανονική (Gaussian) στατιστική κατανομή των γωνιών πρόσπτωσης του παλμού, γεγονός που έχει ως συνέπεια την εισαγωγή ενός συστηματικού σφάλματος στις μετρήσεις με μέγεθος ανάλογο του σημαντικού ύψους των κυμάτων SWH. Η υπολογισμένη ταχύτητα των ανέμων επηρεάζεται επίσης από το εν λόγω σφάλμα εξ αιτίας των διαφορών στην τραχύτητα της θαλάσσιας επιφάνειας μεταξύ των παρυφών και των κορυφών των κυμάτων.

Οι αντίστοιχες αναγκαίες διορθώσεις

βασισμένες σε θεωρητικές μελέτες μέχρι σήμερα δεν έχουν αποδειχθεί ακόμα τόσο αξιόπιστες όσο οι εμπειρικές εκτιμήσεις, με αποτέλεσμα οι διορθώσεις για το ηλεκτρομαγνητικό συστηματικό σφάλμα που εφαρμόζονται στη πράξη να είναι από εμπειρικά μοντέλα. Αυτές οι διορθώσεις, δρssb, είναι γενικά βασισμένες σε ένα απλό γραμμικό ποσοστό της τιμής του σημαντικού ύψους των κυμάτων SWH:

δρssb = Κ * SWH όπου η σταθερά Κ εκφράζεται γενικά ως ποσοστό. Για παράδειγμα, στη περίπτωση του δορυφόρου GEOSAT, η τιμή του Κ ήταν (2.0±0.6)%, και για τον ERS-1 (5.951±0.057)%, ενώ για τον TOPEX/Poseidon, η διόρθωση είναι βασισμένη στο ακόλουθο μοντέλων τεσσάρων παραμέτρων: δρssb = a*SWH (b*U + c*U*U + d*SWH) όπου το U είναι η ταχύτητα του ανέμου όπως υπολογίζεται από την τραχύτητα της θαλάσσιας επιφάνειας που μετριέται από το αλτίμετρο. Συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται οι τιμές για τους όρους a, b, c και d αντίστοιχα:


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


• [a,b,c,d]TOPEX = [1.93, 0,368, -0.014, -

0.268] για το αλτίμετρο TOPEX της NASA και οι παράμετροι

• [a,b,c,d]Poseidon = [5.12, 0,233, -0.011, -0.176] για το αλτίμετρο Poseidon της CNES.

Σφάλματα της επίδρασης των παλιρροιών

Η μεγαλύτερη δυναμική μεταβολή της επιφάνειας της θάλασσας αποδίδεται στην παλιρροιακή έλξη τρίτων σωμάτων (δηλ. της Σελήνης και των άλλων πλανητών), τα αποτελέσματα της οποίας πρέπει να εξαλειφθούν από τις αλτιμετρικές μετρήσεις προκειμένου να ερευνηθούν τα στατικά και τα μη-παλιρροιακά δυναμικά φαινόμενα και χαρακτηριστικά των ωκεανών. Υπάρχουν δύο ελαφρώς διαφορετικές παλιρροιακές κινήσεις στην επιφάνεια θάλασσας: οι ρευστές παλίρροιες των ωκεανών και οι κατακόρυφες μετατοπίσεις του στερεού φλοιού της Γης εξ αιτίας των παλιρροιών. Οι παλίρροιες στον ανοικτό ωκεανό κυμαίνονται μέχρι 50 cm, ανάλογα με τη γεωγραφική θέση. Αντίθετα, οι παλίρροιες του στερεού φλοιού της Γης έχουν μέγεθος λιγότερο από 10 cm.

Οι σημαντικότερες ηλιακές και

σεληνιακές ωκεάνιες παλίρροιες προκαλούνται από τις ελκτικές δυνάμεις της βαρύτητας του Ήλιου και της Σελήνης και επηρεάζονται από την τοπική μορφολογία των βυθών και την παρουσία των ακτών και νησιών. Σε ανοικτούς ωκεανούς με κανονική μορφολογία των βυθών και μακριά από οποιεσδήποτε εδαφικές μάζες, είναι σχετικά εύκολο να υπολογισθούν οι κατακόρυφες συνιστώσες των παλιρροιών από υπάρχοντα μοντέλα. Οι εγκάρσιες συνιστώσες, εντούτοις, είναι πιο περίπλοκες,

ιδιαίτερα εκεί όπου είναι απαραίτητο να περιληφθούν περιορισμοί εξ αιτίας των ακτών. Το πρόβλημα περιπλέκεται, από το γεγονός ότι στους ανοικτούς ωκεανούς είναι δύσκολο να μετρηθούν επακριβώς τα παλιρροιακά ύψη, καθιστώντας κατά συνέπεια την επιβεβαίωση των παλιρροιακών μοντέλων μεγάλης κλίμακας εξαιρετικά δύσκολη. Στις παράκτιες περιοχές, η επικύρωση των παλιρροιακών μοντέλων είναι σχετικά ευκολότερη δεδομένου ότι η ύπαρξη παλιρροιογράφων συνεισφέρει στον καθορισμό και τον έλεγχο της αξιοπιστίας τους. Τέλος, προκειμένου οι παλιρροιακές διορθώσεις των αλτιμετρικών μετρήσεων να είναι συνακόλουθες για κάθε σημείο των μετρήσεων, τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται πρέπει να έχουν παγκόσμια κάλυψη (αν και αυτό δεν αποκλείει τη χρήση τοπικών παλιρροιακών μοντέλων για μελέτες τοπικού ενδιαφέροντος).

Σήμερα τα παλιρροιακά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση των μετρήσεων αλτιμετρίας έχουν προέλθει εν μέρει από την ανάλυση των χρονικών μεταβολών των ωκεανών από προηγούμενες αποστολές δορυφόρων αλτιμετρίας. Για παράδειγμα με τα δεδομένα του GEOSAT, το παλιρροιακό μοντέλο (το λεγόμενο Schwiderski tidal model) που χρησιμοποιήθηκε είχε μια ακρίβεια περίπου 4 cm. Στο ρηχά νερά και τις εσωκλειόμενες θάλασσες, όπως η Βόρεια Θάλασσα, αυτή η ακρίβεια μπορεί να μειωθεί πολύ. Για τον ERS-1 χρησιμοποιήθηκε μια βελτιωμένη έκδοση του παλιρροιακού μοντέλου του Schwiderski ενώ για τον δορυφόρο TOPEX/Poseidon χρησιμοποιείται το λεγόμενο παλιρροιακό μοντέλο των Cartwright και Ray, το οποίο είναι βασισμένο στην ανάλυση των αλτιμετρικών μετρήσεων του GEOSAT, και καλύπτει όλα τα γεωγραφικά πλάτη μέχρι 72ο. Το συγκεκριμένο μοντέλο των παλιρροιών έχει ακρίβειες περίπου 3.25 cm σε παγκόσμια κλίμακα.

Τέλος, υπάρχει μια αλληλεπίδραση

μεταξύ των παλιρροιών της στερεάς γης και των ρευστών ωκεάνιων παλιρροιών μεσώ των επιδράσεων της “φόρτωσης” και της “αποφόρτωσης” των ωκεάνιων παλιρροιών στο στερεό φλοιό της Γης. Αυτές οδηγούν


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


σε μια πρόσθετη επίδραση παλιρροιακής ανισορροπίας (non-equilibrium tide), η διόρθωση της οποίας συνήθως

ενσωματώνεται στα μοντέλα της διόρθωσης των ωκεάνιων παλιρροιών.

6.06.5 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΚΑΙ Η ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥΣ

Ο ακριβής προσδιορισμός της τροχιάς, από την ανάλυση δορυφορικών δεδομένων παρακολούθησης του δορυφόρου (π.χ. SLR, GPS, DORIS, PRARE) είναι απαραίτητος, προκειμένου να μπορεί να υπολογισθεί η θέση του δορυφόρου στη δεδομένη στιγμή κάθε αλτιμετρικής μέτρησης. Αυτές οι τροχιακές πληροφορίες είναι κρίσιμες για την ορθή ερμηνεία των αλτιμετρικών δεδομένων του ραντάρ, δεδομένου ότι στην πράξη αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη πηγή σφάλματος, ιδιαίτερα για αλτιμετρικούς δορυφόρους, όπως οι ERS-1, ERS-2, ENVISAT, που είναι τοποθετημένοι σε χαμηλές τροχιές σε ύψη λιγότερο από 800 km, σε αντιδιαστολή με δορυφόρους όπως οι TOPEX/Poseidon και JASON-1 που είναι τοποθετημένοι σε τροχιές περίπου σε ύψος 1300 km. Τυπικά, τα σφάλματα της τροχιάς οφείλονται κυρίως στα σφάλματα των μοντέλων που χρησιμοποιούνται (π.χ. εξ αιτίας της ατελούς γνώσης του πεδίου βαρύτητας της Γης), καθώς και στα σφάλματα των συντεταγμένων των επίγειων σταθμών παρακολούθησης των δορυφόρων. Στην πραγματικότητα, εξ αιτίας των παρέλξεων της Γης (π.χ. παλίρροιες) και άλλες δυνάμεις που ασκούνται στην επιφάνεια του δορυφόρου (π.χ. τριβή) καθώς επίσης και η ανισότροπη φύση του πεδίου της γήινης βαρύτητας στα ύψη μικρότερα ή συγκρίσιμα με το μέγεθος της Γης διαταράσσουν την ιδανική ελλειπτική δορυφορική τροχιά, που περιγράφουν τα γνωστά Κεπλέρια στοιχεία, από την ονομαστική (πραγματική) τροχιά που ακολουθούν οι δορυφόροι.

Ο ακριβής προσδιορισμός τροχιάς των

δορυφόρων αλτιμετρίας περιλαμβάνει την αριθμητική ολοκλήρωση της δορυφορικής θέσης από ένα αρχικό διάνυσμα (initial state vector) χρησιμοποιώντας σύνθετα πολύπλοκα μοντέλα για τον υπολογισμό των δυνάμεων που ασκούνται στο δορυφόρο, και κάθε μια από τις οποίες επηρεάζει διαφορετικά την κίνησή του όπως: οι έλξεις

του Ήλιου, της Σελήνης και των άλλων πλανητών, τις άμεσες και έμμεσες παλιρροιακές επιδράσεις του Ήλιου και της Σελήνης, την ατμοσφαιρική τριβή, την πίεση από την άμεση ηλιακή ακτινοβολία (Solar Radiation) και την έμμεση ακτινοβολία (Albedo) που ανακλάται από τη γήινη επιφάνεια. Η ολοκλήρωση δεσμεύεται από τις διαθέσιμες ανεξάρτητες μετρήσεις παρακολούθησης του εκάστοτε δορυφόρου, από επίγειους σταθμούς εξοπλισμένους με τηλέμετρα λέιζερ, Doppler, GPS και χρονόμετρα ακριβείας, καθώς και από την εκτέλεση απευθείας μετρήσεων από τους δορυφόρους GPS (όπως π.χ. από τους δορυφόρους TOPEX/Poseidon και JASON-1). Στην εν λόγω διαδικασία υπολογισμού της τροχιάς, μπορούν επίσης να περιληφθούν και οι ίδιες οι μετρήσεις αλτιμετρίας, οι οποίες όμως παρέχουν δεσμεύσεις της τροχιάς μόνο στην κατεύθυνση της ακτίνας της τροχιάς του δορυφόρου (radial direction).

Στη πράξη, μετά την εφαρμογή των

πληρέστερων κατά το δυνατόν διαθέσιμων μοντέλων και μετρήσεων για τον υπολογισμό των τροχιών, είναι γνωστό από προηγούμενη εμπειρία ότι παραμένουν ορισμένα συστηματικά σφάλματα των τροχιών που έχουν πρωτίστως την ίδια μορφή (περιοδικότητα) ανά τροχιά, και κατά δεύτερο λόγο κάθε 2 και 3 τροχιές, εξ αιτίας της αδυναμίας των μοντέλων που χρησιμοποιούνται στη παραπάνω


Released under a

Creative Commons

Attribute &

Non-commercial

Lisence


διαδικασία. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται περαιτέρω μοντέλα των εν λόγω σφαλμάτων της μορφής

δr(t) = a + b cos ωt + c sin ωt όπου ω = 2π/Τ, Τ είναι η περίοδος της τροχιάς και a, b, c είναι ζητούμενοι συντελεστές για κάθε τροχιά.

Στη πράξη, οι ζητούμενοι

συντελεστές για τα παραπάνω συστηματικά τροχιακά σφάλματα υπολογίζονται από τις διαθέσιμες μετρήσεις αλτιμετρίας στα σημεία τομής του επίγειου ίχνους δύο αλτιμετρικών τόξων (crossover points). Στα σημεία αυτά ισχύει η δέσμευση ότι η “μόνιμη στάθμη” της θάλασσας πρέπει να είναι ίδια και συνεπώς, μετά την εφαρμογή όλων των άλλων αλτιμετρικών διορθώσεων, οι οποιεσδήποτε διαφορές στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας στα σημεία της τομής του ανερχόμενου και του αντίστοιχου κατερχόμενου τόξου οφείλονται κυρίως στα συστηματικά σφάλματα των δύο τροχιών. Με άλλα λόγια στο σημείο τομής των δύο

τόξων i και j, στις χρονικές στιγμές ti και tj των αντιστοίχων αλτιμετρικών μετρήσεων ssh(ti) και ssh(tj) στο κάθε τόξο ισχύουν οι εξισώσεις παρατήρησης της μορφής:

Δhij = δr(ti) – δr(tj) + δ*(ti,tj) όπου Δhij = ssh(ti) – ssh(tj), δ*(ti,tj) εκφράζει το τυχαίο σφάλμα της διαφοράς Δhij και δr(ti), δr(tj) εκφράζουν τα παραπάνω μοντέλα των τροχιακών σφαλμάτων με αντίστοιχους ζητούμενους συντελεστές ai, bi, ci και aj, bj, cj για κάθε τόξο.

Στη περίπτωση που η ανάλυση των αλτιμετρικών μετρήσεων περιορίζεται σε μικρές θαλάσσιες περιοχές (π.χ. στη Μεσόγειο), τα τροχιακά τόξα που χρησιμοποιούνται θα είναι σχετικά μικρού μήκους και κατά συνέπεια εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλούστερα μοντέλα που εκφράζουν τη διόρθωση για τα εναπομένοντα τροχιακά σφάλματα ως μια απλή μετατόπιση, κλίση και καμπυλότητα του εκάστοτε τόξου, υπό τη μορφή απλών πολυωνύμων 2ου βαθμού συναρτήσει του χρόνου

δr(t) = a + b (t-to) + c (t-to)2 όπου a, b, c είναι ζητούμενοι συντελεστές για κάθε τόξο, t είναι χρονική στιγμή της μέτρησης και to είναι κάποια χρονική στιγμή αναφοράς για κάθε τόξο, που συνήθως λαμβάνεται η αρχή κάθε τόξου.


lecture notes - satellite altimetry

Documents