ACA Meteorologia Por Satélite

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1 ACA Meteorologia Por Satélite 2 o semestre 2015

2 Docentes: Prof a Dr a Rachel Ifanger Albrecht Sala 346 IAG Prédio Principal rachel.albrecht@iag.usp.br Prof a Dr a Marcia Akemi Yamasoe Sala 348 IAG Prédio Principal marcia.yamasoe@iag.usp.br ACA Meteorologia Por Satélite Horários e salas de aula: Sala 10: Sextas-feiras, 10:00-11:40 e 15:00-15:50 Sala 114: Sextas-feiras, 15:50-16:40 2

3 Objetivos desta disciplina Introduzir os conceitos e técnicas de sensoriamento remoto por satélite para interpretação de imagens e cálculo de parâmetros atmosféricos e de superfície. 3

4 Cronograma DATA TEMA DOCENTE 7-ago Não haverá aula (Feira USP Profissões) 14-ago Introdução Rachel 21-ago Refletância, temperatura de brilho e interpretação de imagens Rachel 28-ago Estimativa de Precipitação Visível e Infravermelho Rachel 4-set Estimativa de Precipitação Microondas Rachel 11-set Não haverá aula (Semana da Pátria) 18-set Rastreamento de Sistemas Convectivos Rachel 25-set Utilização de imagens na previsão do tempo Rachel 2-out PROVA I 9-out Ozônio Marcia 16-out Aerossol Marcia 23-out NDVI Marcia 30-out TSM Marcia 6-nov Inferência de T e UR perfil Marcia 13-nov Viagem dos estudantes ao INPE Rachel 20-nov Não haverá aula (Feriado) 27-nov PROVA II 4-dez PROVA SUBSTITUTIVA 4

5 Bibliografia KIDDER, S.Q.; VONDER HAAR, T.H. (1995): Satellite Meteorology: An Introduction. Academic Press, 1995, 466p. CONWAY, E.D. and the Maryland Space Grant Consortium (1997): An Introduction to Satellite Image Interpretation. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1997, 242p. LIOU, K.N. (2002): An Introduction to Atmospheric Radiation. International Geophysics Series 84, Academic Press, 583p. Artigos científicos dados ao longo do curso. Material do curso 5

6 Formas de avaliação As avaliações do curso serão divididas da seguinte forma: Média das Listas de Exercícios 30 % (E) Prova I 35 % (P1) Prova II 35 % (P2) Listas de exercícios: Distribuídas ao longo do curso. Prazo de entrega: 01 semana a partir da distribuição da mesma (Atraso: -10%/dia) Exercícios práticos em sala de aula, entregues no final da aula. Provas: perguntas descritivas, cálculos e derivações de problemas. Nota final do curso: NF = E*0.3 + P1* P2*0.35 Prova substitutiva: Somente aos alunos que não obtiverem média igual ou superior a 5 (cinco), ou aqueles que desejam aumentar a nota (neste caso, a prova substitutiva obrigatoriamente será substituída pela menor nota das provas P1 ou P2). A prova substitutiva abrangerá todo o material descrito durante o curso. 6

7 Aula 01 INTRODUÇÃO 1. História da meteorologia por satélite 2. Órbitas e navegação a. Leis de Newton b. Leis de Kepler e Órbitas Keplerianas c. Trajetória dos satélites d. Órbitas dos satélites meteorológicos e suas amostragem no tempo e espaço 7

8 1. História da meteorologia por satélite A busca por colocar satélites artificiais na órbita da Terra começou nos anos 40. Estados Unidos lançaram uma série de foguetes no espaço: 1 a foto tirada do espaço: 24 de outubro de Foguete alemão V-2 #13 8

9 1. História da meteorologia por satélite fotos foram tiradas usando os foguetes V-2 (alemães, capturados após o término da 2 a GM) entre

10 1. História da meteorologia por satélite 10

11 1. História da meteorologia por satélite Primeira foto de um ciclone, ainda com foguetes: 11

12 1. História da meteorologia por satélite Em 1955, EUA e USSR anunciaram a corrida para lançar o primeiro satélite artificial à órbita da Terra. Em 04 de outubro de 1957, a USSR lançou o Sputinik-1. 12

13 1. História da meteorologia por satélite Sputnik-1: réplica Sinal de rádio do Sputnik-1 13

14 Notícia na CBS sobre o lançamento do Sputnik: 1. História da meteorologia por satélite 14

15 1. História da meteorologia por satélite Cronologia de lançamento dos primeiros satélites ( ): Out USSR: lançado o Sputnik-1 (83.6 kg) 03 Nov USSR: Sputnik-2 (508.3 kg), com a Laika a bordo 15

16 1. História da meteorologia por satélite Cronologia de lançamento dos primeiros satélites ( ): Out USSR: lançado o Sputnik-1 (83.6 kg) 03 Nov USSR: Sputnik-2 (508.3 kg), com a Laika a bordo 06 Dez EUA: Vanguard TV-3 explode na plataforma de lançamento 31 Jan USA: Explorer 1 (14 kg), 1º satélite americano (descobre os cinturões de radiação de Van Allen) 03 Fev USSR: primeira tentativa de lançar Sputnik-3 fracassa 05 Fev USA: a segunda tentativa de lançar a Vanguard falha 05 Mar USA: a Explorer 2 não consegue entrar em órbita 17 Mar USA: Vanguard 1 (1.47 kg) lançada com sucesso 26 Mar USA: Explorer 3 lançada e coleta dados de radiação e microasteróides 28 Abr USA: lançamento de outra Vanguard falha 15 Mai USSR: lançado Sputnik 3 (1,327 kg), com vários instrumentos 27 Mai USA: Vanguard falha pela quarta vez 26 Jun USA: Vanguard falha pela quinta vez 26 Jul USA: Explorer 4 é lançada, mede cinturão de Van Allen por 2,5 meses 24 Aug USA: Explorer 5 falha 26 Sep USA: Vanguard falha pela sexta vez 16

17 1. História da meteorologia por satélite Finalmente, o primeiro instrumento meteorológico a bordo de um satélite foi lançado em 13 de outubro de 1959, no Explorer VII: Radiômetro, com o objetivo de medir o balanço de energia da Terra Arquitetos do radiômetro: Verner E. Suomi e Robert J. Parent (University of Wisconsin) 17

18 1. História da meteorologia por satélite Em 01 de abril de 1960, foi lançado o primeiro satélite dedicado à meteorologia: TIROS-1 TIROS = Television Infrared Observation Satellite Objetivo: Melhorar as aplicações dos satélites em decisões-limites, como por exemplo Devemos evacuar a costa por causa de um furacão? 2 câmeras de televisão: 1 de baixa e 1 de alta resolução, e uma gravadora magnética para gravar imagens em fita enquanto o satélite estava fora do alcance das estações de recepção em solo. Ficou operacional por 3 meses 392 órbitas fotos Parceria entre a NASA (recém criada), Weather Bureau (hoje NOAA), Forças Armadas, Marinha e vários empreiteiros. 18

19 1. História da meteorologia por satélite 2 antenas de captação em solo em centros militares: Fort Monmouth, NJ Kaena Point, Hawaii O lançamento do TIROS-1 foi muito importante para o governo americano, as imagens eram levadas dos centros militares, de helicóptero, para o presidente (Dwight Eisenhower) 19

20 Notícia sobre o lançamento do TIROS-1: 1. História da meteorologia por satélite 20

21 1. História da meteorologia por satélite Alguns diziam que a aplicação para meteorologia era na verdade uma desculpa: É o primeiro satélite de reconhecimento militar dos Estados Unidos já em órbita da Terra? Tiros-1 lançado em 01 de abril foi chamado de "satélite de observação meteorológica." Mas isso tem perturbado altos funcionários norte-americanos de um jeito que o próprio tempo nunca poderia. Ninguém esperava que o de transporte de câmera Tiros pudesse fazer mais do que demonstrar a viabilidade de satélites meteorológicos (que na verdade surgiu com significativa, embora não nova, informação sobre o tempo). Mas, embaraçosamente, Tiros fez mais por satélites espiões militares do que tem para satélites meteorológicos... 21

22 1. História da meteorologia por satélite Primeira foto do TIROS-1: Órbita 1, Frame 1, Cam 1 01 Abril 1960 Órbita 17, Frame 8, Cam 2 02 Abril 1960 Fonte: The NASA Goddard Library TIROS-1 Photographic Atlas Collection of Weather Photos from Space and the "First" Weather Image 22

23 1. História da meteorologia por satélite Mais 9 satélites (TIROS-2, TIROS-3,..., TIROS-9) foram lançados aperfeiçoando alguns detalhes da órbita do satélite e das câmeras. ( ) Em 1978, a NOAA lançou o programa TIROS-N (TIROS - Nextgeneration): Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR): alta resolução com imagens também durante a noite. TIROS Operational Vertical Sounder (TOVS): perfis verticais de temperatura e umidade da superfície até o topo da atmosfera. * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA Present * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA , * TIROS-N/NOAA Present * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA Present * TIROS-N/NOAA , * TIROS-N/NOAA * TIROS-N/NOAA

24 1. História da meteorologia por satélite Órbita polar: 24

25 1. História da meteorologia por satélite Órbita polar: 25

26 1. História da meteorologia por satélite TIROS-1 foi um sucesso: meteorologistas puderam comprovar visualmente as teorias das ciências atmosféricas, e montar pela primeira vez cartas sinóticas sobrepostas a imagens de satélite 26

27 1. História da meteorologia por satélite TIROS-3 ajuda na evacuação durante passagem de furacões em 1961: Furacão Carla é o maior já registrado nos EUA (maior até que o Katrina). As imagens do Tiros-3 ajudaram a tomar a decisão de evacuar mais de ½ milhão de pessoas da rota do furacão 27

28 1. História da meteorologia por satélite TIROS-4: Rastreamento de geleiras e monitoramento de calotas polares 28

29 1. História da meteorologia por satélite TIROS-9, Janeiro 1975: primeira composição de imagens do globo terrestre 29

30 1. História da meteorologia por satélite O programa TIROS-N/NOAA foi encerrado e agora começa o programa Joint Polar Satellite System (JPSS): 2011: lançado o Suomi National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project (ou Suomi NPP) Instrumentação: Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) radiômetro em microondas Cross-track Infrared Sounder (CrIS) interferômetro Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS) espectrômetros Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) radiômetro com 22-canais Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) radiômetro para balanço de energia 30

31 1. História da meteorologia por satélite 1ª imagem do NPP-VIIRS: 31

32 Satélites meteorológicos russo: Meteor 1: 1. História da meteorologia por satélite Meteor 1-1: primeiro satélite colocado em órbita em 26 Março 1969 (caiu na Antártica em 26 Março 2012). Câmeras de TV e radiômetros 31 satélites dessa série de Meteor 2: 21 satélites de Telefotômetros, radiômetros infra-vermelho e balanço de radiação Meteor 3: 7 satélites de Meteor-M: Nova geração, ainda não lançada. 32

33 Satélites polares meteorológicos, em número: 1. História da meteorologia por satélite US Environmental Science Services Administration (ESSA) satellites: 9 satélites, US Nimbus-series satellites: 7 satélites, US Improved TIROS Operational System (ITOS): 7 satélites, US Advanced TIROS-N (ATN) / NOAA series: 12 satélites, China (PR) Feng Yun (FY-1 and FY-3): 7 satélites, European METeorological OPerational (MetOp): 2 satélites, Índia: ~10 satélites, Brazil: nenhum! 33

34 1. História da meteorologia por satélite Os satélites de órbita polar conseguem nos dar uma visão de todo o planeta, mas não conseguem nos dar uma visão contínua de um mesmo local no espaço: Dificulta o monitoramento contínuo dos fenômenos atmosféricos 34

35 1. História da meteorologia por satélite Em 16 de outubro de 1975, a NOAA lançou o primeiro satélite meteorológico geoestacionário: geo = terra estacionário = não se move 35

36 1. História da meteorologia por satélite GOES = Geostationary Operational Environmental Satellite Já houveram 15 satélite GOES no espaço: GOES 1, launched on October 16, 1975, decommissioned GOES 2, launched on June 16, 1977, decommissioned GOES 3, launched on June 16, 1978, used as communication satellite. GOES 4, launched on September 9, 1980, decommissioned GOES 5, launched on May 22, 1981, deactivated on July 18, 1990 GOES 6, launched on April 28, 1983, decommissioned GOES-G, launched on May 3, 1986, failed to orbit GOES 7, launched April 28, 1987, used as a communications satellite GOES 8, launched on April 13, 1994, decommissioned GOES 9, launched on May 23, 1995, decommissioned on June 15, 2007 GOES 10, launched on April 25, 1997, decommissioned on December 2, 2009 GOES 11, launched on May 3, 2000, decommissioned on December 16, 2011 GOES 12, launched on July 23, 2001, provided coverage for South America GOES 13, launched on May 24, 2006, in operation as GOES-East GOES 14, launched on June 27, 2009, standby spacecraft, located at 90 degrees GOES 15, launched on March 4, 2010, in operation as GOES -West 36

37 1. História da meteorologia por satélite Constelação de satélites meteorológicos ao longo dos anos: 37

38 Constelação total de satélites hoje em dia: 1. História da meteorologia por satélite 38

39 1. História da meteorologia por satélite Apesar do primeiro satélite meteorológico ter infravermelho em seu nome (TIROS-1 - Television Infrared Observation Satellite), o instrumento que observava a Terra era apenas uma câmera de TV (canal visível). O sensor de IR no TIROS era usado para saber se a câmera estava apontado para o espaço ou para Terra, e então disparar a câmera casa estivesse apontado para a Terra. Os primeiros satélites não tinham estabilidade como os de hoje. 39

40 1. História da meteorologia por satélite Ao longo dos anos, os satélites passaram a ter vários instrumentos, medindo a radiação proveniente da Terra em diversos comprimentos de onda distintos (chamados de canais): 40

41 CANAL DO INFRAVERMELHO 1. História da meteorologia por satélite 41

42 CANAL DO VAPOR D ÁGUA 1. História da meteorologia por satélite 42

43 CANAL DO VISÍVEL 1. História da meteorologia por satélite 43

44 1. História da meteorologia por satélite IR WV VIS Quais as principais características vista em cada canal? VISÍVEL: Nuvens são bem mais nítidas (porém invisíveis durante a noite) INFRAVERMELHO: Nuvens mais altas (topos mais frios) são distinguidos das nuvens mais baixas (topos mais quentes) VAPOR D ÁGUA: regiões com alta e baixa umidade na atmosfera Baseado nessas imagens, o que o satélite realmente vê? Ele tira fotos? 44

45 1. História da meteorologia por satélite 45

46 E os satélites continuam evoluindo: maior resolução (tamanho de pixels menores) 1. História da meteorologia por satélite 46

47 1. História da meteorologia por satélite E os satélites continuam evoluindo: maior número de canais Furacão Katrina - GOES-13 e 15 5 canais Furacão Katrina - GOES-R (2015) 16 canais 47

48 1. História da meteorologia por satélite Amostragem no tempo de um satélite GEO atualmente: maior resolução temporal GOES-13,14,15 Imagem full-disk a cada 15 ou 30 min Imagem CONUS (Continental US) a cada 10 min Imagem MESO a cada 1 min (não operacional) (modos dependentes) GOES-R (lançamento em Março/2016) Imagem full-disk a cada 15 min Imagem CONUS (Continental US) a cada 5 min Imagem MESO a cada 30 seg (operacional!) (modos independentes) 0000UTC 0030UTC 0100UTC 0130UTC 0200UTC 0230UTC GOES-14 rapid scan (1-min, simulation for GOESS-R) 48

49 1. História da meteorologia por satélite Amostragem no tempo de um satélite GEO atualmente: GOES-R(lançamento em Março/2016): 49

50 Sensoriamento remoto ativo vs. passivo: 1. História da meteorologia por satélite 50

51 1. História da meteorologia por satélite Sensores ativos vs. Sensores passivos Raio-x Infravermelho Radar Infravermelho 51

52 Radares a bordo de satélites meteorológicos: 1. História da meteorologia por satélite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) (Ku-band: 13.8GHz 2.17cm) 52

53 Radares a bordo de satélites meteorológicos: CloudSat (W-band: 94GHz 3,2mm) 1. História da meteorologia por satélite 53

54 Aula 01 INTRODUÇÃO 1. História da meteorologia por satélite 2. Órbitas e navegação a. Leis de Newton b. Leis de Kepler e Órbitas Keplerianas c. Trajetória dos satélites d. Órbitas dos satélites meteorológicos e suas amostragem no tempo e espaço 54

55 2. Órbitas e navegação Para entendermos e usar os dados de satélite precisamos entender as órbitas que os satélites podem ter e a geometria com a qual eles observam a Terra: Princípios físicos que determinam a forma da órbita do satélite e como orientá-la no espaço (Leis de Newton, Leis de Kleper). Assim podemos calcular a posição do satélite em qualquer tempo. As órbitas sofrem perturbações e quais são seus efeitos nos satélites meteorológicos. Como calcular a geometria da trajetória do satélite e localização na Terra (discussão sobre amostragem no tempo e espaço) 55

56 2a. Leis de Newton INÉRCIA: 2. Órbitas e navegação Todo corpo permanecerá em seu estado de repouso (estacionário) ou em movimento retilíneo uniforme a menos que sofra ação de uma força externa. MOMENTO: A taxa de variação do momento é proporcional à força exercida e ocorre na mesma direção da força. AÇÃO E REAÇÃO: Forças de Ação e Reação têm intensidades iguais e sentidos opostos (sinais opostos). 56

57 2. Órbitas e navegação A segunda lei de Newton, diz que o momento (a soma das forças atuantes em um objeto) é o produto da massa do corpo pela sua aceleração, ou seja: F ma m d d v t onde F é a força, m a massa, a a aceleração, v a velocidade e t o tempo. 57

58 2. Órbitas e navegação LEI DA GRAVITAÇÃO UNIVERSAL: A força de atração (F g ) entre dois corpos de massa m 1 e m 2, separados por uma distância r, é dada por: F g Gm r 1 2 m 2 onde G = constante gravitacional Newtoniana g = 6,67259x10-11 (N m 2 kg -2 ) Gm R, g Terra 9,81 m/s 2 58

59 2. Órbitas e navegação Quais são as forças que estão atuando no satélite se ele está em movimento circular ao redor da Terra? F c v r F g 59

60 Assim, para que um satélite tenha uma órbita 2. Órbitas e navegação circular em torno da Terra, a força centrípeta (F c ) do satélite deve ser igual à força de atração gravitacional (F g ) que a Terra exerce sobre o satélite: F c r F g F c F g 60

61 2. Órbitas e navegação A força centrípeta (F c ) do satélite é dada pela massa do satélite (m s ), velocidade orbital do satélite (v) e distância do satélite ao centro da Terra (r): F c r F g F c m s r v 2 61

62 2. Órbitas e navegação A força de atração gravitacional (F g ) entre a Terra e o satélite é dadpa pela LEI DA GRAVITAÇÃO UNIVERSAL, onde m T é a massa da Terra: F c F g r g 2 r F Gm S m T 62

63 F c 2. Órbitas e navegação r F g Logo: 2 Dividindo ela massa do satélite: Lembrando que o período orbital (T) do satélite é a circunferência da órbita (2pr) dividida ela sua velocidade: substituindo (1) em (2): T T 2 2 p r v 4 p Gm 2 T m r s r 3 v v F 2 c (2) F Gm Gm r g r s T 2 m T (1) 63

64 2. Órbitas e navegação EXERCÍCIO 01: O satélite NOAA/AVHRR está à uma altura (h) de 850km da superfície da Terra. Calcule o seu período (T) de rotação. Dados: r T = 6378 km m T = 5,9737 x kg h r F c F g r T 64

65 2. Órbitas e navegação EXERCÍCIO 02: Qual a altura (h) que um satélite tem que estar da Terra para eu ele seja geoestacionário? F c Dados: r T = 6378 km m T = 5,9737 x kg h r r T F g 65

66 2b. Leis de Kepler e Órbitas Keplerianas Os satélites não possuem órbitas circulares! 2. Órbitas e navegação apesar de os satélites meteorológicos sempre buscarem ter órbitas circulares. Antes mesmo de Newton nascer, Kepler formulou suas leis analisando dados da posição de vários planetas (LEIS DE KEPLER): T r p Gm 2 constante 1ª lei de Kepler: Todos os planetas descrevem órbitas elípticas com o sol em um dos focos. 2ª lei de Kepler: O vetor raio (que liga o planeta ao sol), varre áreas iguais em iguais intervalos de tempo. 3ª lei de Kepler: A razão entre o quadrado do período orbital pelo cubo da distância é constante para todos os planetas que orbitam ao redor do sol. As mesmas leis se aplicam se substituirmos planeta por satélite e sol por Terra. 66

67 ÓRBITAS KEPLERIANAS: 2. Órbitas e navegação Os satélites descrevem uma órbita elíptica em torno da Terra (assim com a Terra em torno do sol): apogeo focus a a e b a e focus perigeo a = semi-eixo maior b = semi-eixo menor, e = excentricidade q = anomalia verdadeira Perigeo = quando o satélite está mais perto da Terra Apogeo = quando o satélite está mais longe da Terra b a 1 e», onde 0 e <1, e = 0 representa a órbita circular e a e a 1 b a 2 2 A equação da elipse, ou seja, a trajetória do satélite (r) em coordenadas polares com a Terra no centro é: r 1 a (1 e e cos 2 ) q 67

68 2. Órbitas e navegação Efeito da excentricidade 68

69 2. Órbitas e navegação Um satélite com órbita circular tem sempre a mesma velocidade ao longo de sua órbita. Em uma trajetória elíptica a velocidade angular não se mantém uniforme: o satélite viaja mais rápido quando se aproxima da Terra. Determinando agora a posição do satélite em função do tempo: Lembrando que o período orbital do satélite é: T 2 4 p Gm 2 r T 3 T 2 p r Gm 3 T Podemos definir como velocidade de revolução média do satélite (n): n 2 p T Gm a 3 T (considerendo a circunferência de raio a) 69

70 2. Órbitas e navegação A anomalia média (M) em relação à circunferência nos dá a posição do satélite em função do tempo: M n ( t t p ) apogeo e perigeo onde: t p é o tempo de passagem no perigeo (M=0). M aumenta linearmente com o tempo a uma taxa n. Aplicando as leis de Kepler: M n ( t t ) e e sin p e 70

71 2. Órbitas e navegação e é a excentricidade anômala que está relacionada com a anomalia verdadeira (q) : cos q cos e 1 e cos e e cos e cos q 1 e cos e q 71

72 2c. Trajetória dos satélites ORIENTAÇÃO NO ESPAÇO: 2. Órbitas e navegação Calculando r e q em um determinado tempo t, conseguimos posicionar o satélite no plano de usa órbita. Devemos então relacionar o plano da órbita do satélite com o plano da Terra. Isso é feito usando a sistema de coordenadas astronômico de ascensão verdadeira-declinação W w i 72

73 2. Órbitas e navegação PERTURBAÇÕES DA ÓRBITA: Fatores que interferem nas órbitas dos satélites: Campo gravitacional da Terra que não é esférica. Atração gravitacional de outros corpos (Sol, Lua, entre outros). Pressão radiativa do Sol. Fluxo de partículas do Sol devido ao vento solar. Atrito. Força eletromagnética devido a interação de correntes elétricas do satélite com a o campo magnético da Terra. 73

74 EQUAÇÕES DA ÓRBITA REAL DO SATÉLITE: 2. Órbitas e navegação Taxa temporal da anomalia média (dm/dt) devido as irregularidades na massa/campo gravitacional da Terra é dada pela constante média de movimento (n) em uma órbita não perturbada e pela constante anômala média de movimento ( ): 2 dm 3 / 2 ee dt n n 3 r n 1 J 1 e 2 2 a Quando o ângulo de inclinação é menor que 54.7 o, n é maior que n, logo a órbita do satélite é mais rápida do que seria em uma órbita não perturbada. Entretanto para grandes inclinações o satélite orbita mais devagar. 1 2 sen i 74

75 EQUAÇÕES DA ÓRBITA REAL DO SATÉLITE: 2. Órbitas e navegação A maior massa na região equatorial da Terra afeta a ascensão reta do nó ascendente e não o angulo de inclinação. A taxa da ascensão verdadeira do nodo ascendente (dw/dt): d dt W n r ee J 1 e 2 a cos i Causa um efeito de precessão na órbita. W w i 75

76 EQUAÇÕES DA ÓRBITA REAL DO SATÉLITE: 2. Órbitas e navegação O outro efeito do cinturão equatorial é causar uma rotação ou uma precessão no argumento do perigeu: 2 d w 3 r 2 ee dt n 2 J 2 a 1 e 2 2 sen i As equações acima nos dão então os valores de n, n, dw/dt e dw/dt, todos em radianos por segundo. O período anomalístico da órbita perturbada é simplesmente: ~ T 2 p n d w dt 76

77 2. Órbitas e navegação POSIÇÃO NO ESPAÇO: Resolve-se as seguintes equações (órbita perturbada): M M 0 dm dt ( t t 0 ) Anomalia média W W 0 d dt W ( t t 0 ) Ascensão reta w w 0 d w dt ( t t 0 ) Argumento do perigeu 77

78 2. Órbitas e navegação POSIÇÃO NO ESPAÇO: Após a solução das equações anteriores, obtemos: r s x ''' 2 y ''' 2 z ''' 2 r Raio s sen 1 z r ''' s Declinação W s tan 1 y x ''' ''' Ascensão verdadeira do satélite 78

79 2d. Órbitas dos satélites meteorológicos e suas amostragem no tempo e espaço 2. Órbitas e navegação Como vimos anteriormente, os satélites podem ter órbitas geoestacionárias (GEO) ou órbitas baixas (Low Earth Orbits LEO). 79

80 2. Órbitas e navegação Satélites geoestacionários (geo-síncronos) orbitam em torno do eixo da Terra na mesma velocidade que a Terra gira. Eles estão estacionados sobre determinados pontos (0 o latitude) a alturas no Equador de ~ km 80

81 2. Órbitas e navegação Satélites geoestacionários atualmente: Os EUA operam 2 GOES (Geostationary Operational Environment Satellite), 75 o W e 135 o W. A agência Européria EUMESAT - METEOSAT (METEOrological SATellite), possui um em 0 o longitude. A agência espacial Japonesa possui o GMS (Geostationary Meteorological Satellite) em 140 o E A agência espacial Russa possui o GOMS em 76 o E A agência espacial Chinesa possui o FY-2. A agência espacial Indiana possio o Elektro. 81

82 Cobertura global de satélites meteorológicos geoestacionários: 2. Órbitas e navegação 82

83 2. Órbitas e navegação Assim podemos compor as imagens e monitorar os diversos fenômenos atmosféricos: T PERGUNTA: Quais fenômenos vocês conseguem identificar? 83

84 2. Órbitas e navegação Satélites de órbita baixa (LEO) viajam em órbitas circulares que se deslocam desde um cinturão de latitude à outro. Um satélite é dito polar quando viaja de um polo ao outro. Esses satélites também podem estar sincronizados com o Sol, ou seja, a ascensão reta do node ascendente precessa na mesma taxa que a do Sol. Por exemplo, para um satélite com um semi-eixo maior de 7228 km e zero de excentricidade, temos que a inclinação de 98,8o é sincronizada ao sol. 84

85 2. Órbitas e navegação Usualmente são lançados 2 satélites polares, sendo que um irá passar de norte para o sul (descendente) e outro de sul para norte (ascendente), tendo um ciclo sobre a Terra a cada 12 horas. Os satélites LEOs estão mais próximos da Terra (~ 879km) do que os GEOs (~36.000km), o que implica em órbitas em até 12 horas (sincronizados ao sol), permitindo assim uma alta resolução espacial e rápida cobertura global. 85

86 Alguns dos satélites em órbita atualmente: 2. Órbitas e navegação GPM 86

87 Amostragem no espaço de um satélite LEO: 2. Órbitas e navegação 87

88 Amostragem no espaço de um satélite LEO: 2. Órbitas e navegação 88

89 Amostragem no espaço de um satélite LEO: 2. Órbitas e navegação C a m p o d e v i s ã o ( F O V - F i e l d s O f V i e w ) d o s I n s t r u m e n t o s I A S I A M S U - A M H S H I R S / 4 A V H R R / 3 89

90 Amostragem no espaço de um satélite LEO: 2. Órbitas e navegação C a m p o d e v i s ã o ( F O V - F i e l d s O f V i e w ) d o s I n s t r u m e n t o s 1 0 k m 4 5 k m 1 5 k m 90

91 Amostragem no tempo de um satélite LEO: 2. Órbitas e navegação Órbita 1 Órbita 2 Órbita 3 Órbita 1 + Órbita 2 + Órbita 3 Usados para obter climatologias (requerem vários anos de amostragem) 91

92 Amostragem no tempo de um satélite GEO: maior resolução temporal GOES-13,14,15 Imagem full-disk a cada 15 ou 30 min Imagem CONUS (Continental US) a cada 10 min Imagem MESO a cada 1 min (não operacional) (modos dependentes) 2. Órbitas e navegação GOES-R Imagem full-disk a cada 15 min Imagem CONUS (Continental US) a cada 5 min Imagem MESO a cada 30 seg (operacional!) (modos independentes) 0000UTC 0030UTC 0100UTC 0130UTC 0200UTC 0230UTC GOES-14 rapid scan (1-min, simulation for GOESS-R) 92

93 2. Órbitas e navegação Impacto da resolução espacial: 93

94 2. Órbitas e navegação Impacto da resolução espacial: Meteosat (GEO) NOAA/AVHRR (LEO) 94

95 1. História da meteorologia por satélite GOES-13 IR 4km 95

96 1. História da meteorologia por satélite GOES-13 VIS 1km 96

97 Vantagens? Desvantagens? 2. Órbitas e navegação As características típicas desses dois tipos de órbitas são: Característica GEO LEO (valor máx p/ polar) Frequência de imagens em um mesmo ponto da Terra 15 min até 12 horas Cobertura espacial ~1/4 da Terra até toda Terra Distância da Terra D ~ km até 850 km Tamanho do pixel S (*) <25 km 2 <4 km 2 (no nadir) Tempo de integração das medidas (*) 5-10 s 4-10 s enegia/pixel S.t/D 2 (*) Acurácia (*) 300K 300 K 97

98 Referências KIDDER, S.Q. e T.H. VONDER HAAR (1995): Satellite Meteorology: An Introduction. Academic Press, 466p