ПРОГНОЗ
TIROS, GOES, «МЕТЕОСАТ» И ПОГОДА С ОРБИТЫ

TIROS-1 (Television Infrared Observation Satellite — телевизионный инфракрасный спутник наблюдения) был запущен 1 апреля 1960 года. Он весил 122,5 кг и нёс две видиконные телекамеры, широкоугольную и узкоугольную, и магнитофон для снимков, сделанных вне зоны видимости наземной станции [2]. Первый кадр показал район Красного моря с высоты около 450 миль (720 км): чёрная вода, тёмные берега, светлая пустыня и ярче всего — облака [1]. Спутник проработал 78 дней и передал 19 389 пригодных снимков [3] — доказательство того, что облачные системы размером с континент можно наблюдать сверху.

Затем, 28 августа 1964 года, начались полёты серии NASA «Нимбус» — семь исследовательских спутников, запущенных с 1964 по 1978 год [5]. «Нимбус-1» добавил инфракрасный радиометр высокого разрешения, измерявший температуру и ночью, когда камеры ничего не видят [4]. На «Нимбусе-3», запущенном 14 апреля 1969 года, спектрометр SIRS впервые восстановил температурные профили со спутника, и 24 мая 1969 года их начали использовать в оперативной работе [5][6]. Советский Союз запускал свои экспериментальные метеоспутники под именами «Космос» с 1964 года — «Космос-44» стартовал в один день с «Нимбусом-1», — а 26 марта 1969 года вывел «Метеор-1» № 1, первый спутник под именем «Метеор», на орбиту с наклонением около 81° [7].

Спутник на высоте 35 786 км над экватором делает один оборот за звёздные сутки, поэтому висит над одной долготой и может непрерывно следить за одним штормом: радиометр GOES-19 снимает весь свой диск каждые 10 минут, континентальные США — каждые 5, а два небольших квадрата — каждые 60 секунд [15][14]. Ограничение — геометрия. С такой высоты край Земли отстоит на 81,3° дуги от подспутниковой точки, поэтому один спутник видит 42,4 % поверхности планеты, а к краю смотрит на землю всё более полого. Кольцо таких спутников вдоль экватора — американских, европейских, японских, китайских и других — покрывает тропики и средние широты; полюса не видит хорошо ни один.

Полярный спутник, например NOAA-21 на солнечно-синхронной орбите высотой 824 км [27], делает виток примерно за 101 минуту — 14 раз в сутки, — а Земля за это время поворачивается под ним на 25,4°. Его радиометр VIIRS охватывает полосу шириной около 3000 км [28] — больше, чем промежуток в 2820 км между соседними трассами на экваторе, поэтому он покрывает весь шар дважды в сутки — один раз днём и один раз ночью [26]. У полюсов трассы сходятся, и спутник видит одно и то же место почти на каждом витке. Передвиньте широту ниже и сравните.

Аппарат NASA ATS-1 стартовал 6 декабря 1966 года в 21:12 по восточному времени — 7 декабря по UTC — и был поставлен над Тихим океаном на 151° з. д. [9][11]. Он вращался, как волчок, и Вернер Суоми и Роберт Парент из Висконсинского университета превратили это в камеру: телескоп за каждый оборот снимал одну узкую полосу Земли, между оборотами зеркало чуть наклонялось, и строка за строкой снимок складывался менее чем за 30 минут [9]. 11 декабря 1966 года спутник передал первый снимок всего диска Земли с геостационарной орбиты [9]. Мысль Суоми вынесена в заголовок главы: с неподвижной точки видно, как движутся облака, и в январе 1967 года он склеил кадры в первый «фильм» облаков [10].

Идея превратилась в оперативную систему. SMS-1, запущенный 17 мая 1974 года, стал первым геостационарным спутником, построенным для метеорологии; 16 октября 1975 года за ним последовал GOES-1 — тоже вращающийся, со сканирующим радиометром VISSR [12]. Европейский «Метеосат-1» стартовал 23 ноября 1977 года, передал первый снимок 9 декабря и снимал весь диск каждые 30 минут в трёх каналах — один из них для водяного пара, что позволяет следить за влагой даже в ясном воздухе [13].

Радиометр GOES-19 — ABI — имеет 16 каналов: красный видимый канал различает 0,5 км, три других — 1 км, остальные, включая все десять инфракрасных, — 2 км; все цифры относятся к точке прямо под спутником [14]. На самом деле детектор задаёт угол. Шаг сетки записан в самих файлах данных ABI: 56 микрорадиан для каналов 2 км, 28 и 14 мкрад для каналов 1 км и 0,5 км [40], — а 2 км ÷ 35 786 км = 55,9 мкрад, так что округлены как раз километры. Тот же пиксель в 56 мкрад с высоты полярного спутника, 824 км, имел бы размер 46 м — поэтому полярный VIIRS получает пиксели 375 м при гораздо более грубом угле [28].

Вдали от подспутниковой точки пиксель растягивают две вещи: земля дальше, и она наклонена к лучу зрения. Данные ABI разложены на фиксированной сетке углов сканирования на эллипсоиде GRS80 [34], поэтому каждый шаг в 56 мкрад можно точно спроецировать обратно на Землю. Над Канзасом 2-километровый пиксель превращается примерно в 2,4 × 3,1 км — в предстартовом моделировании CIRA использовали 2,4 × 3,2 км [35]; на 60° с. ш. на собственном меридиане GOES-East он равен 2,2 × 5,9 км; у Рейкьявика, вблизи края диска, пиксели — около 7,5 × 19 км. Выберите место или передвиньте широту и долготу.

Всё тёплое светится в инфракрасном диапазоне. Примерно между 10 и 12 мкм ясная атмосфера почти прозрачна — это «окно», — поэтому спутник, глядящий вниз, измеряет свечение того, что видит первым: земли, моря или вершины облака. Канал 13 ABI на 10,3 мкм — «чистое» окно [14]. Закон Планка говорит, сколько излучает абсолютно чёрное тело на этой длине волны при каждой температуре; обратив его, по измеренной яркости получают яркостную температуру. Это работает днём и ночью — поэтому ИК-анимации и составляют основу спутниковой метеорологии.

В нижней атмосфере температура падает с высотой примерно на 6,5 К на километр; модель стандартной атмосферы NASA использует 6,49 К/км до 11 км [33]. Поэтому температура вершины облака говорит о его высоте: наковальня кучево-дождевого облака при ~217 К находится на высоте около 11 км, слоистая облачность при 282 К — около 1 км. Простое правило портят две вещи, и обе есть в приборе: выше тропопаузы воздух перестаёт остывать, так что по температуре 12 км не отличить от 15; а пиксель, лишь частично заполненный облаком, пропускает свечение тёплой земли, и облако кажется ниже, чем есть.

Геостационарное кольцо. GOES-19, последний из четырёх спутников серии GOES-R, стал GOES-East на 75,2° з. д. 7 апреля 2025 года; GOES-18 работает как GOES-West на 137,0° з. д. с 4 января 2023 года, а GOES-16 ждёт в резерве на 104,7° з. д. [17][18][38]. Резерв важен: в середине июля 2026 года GOES-19 почти сутки провёл в защитном режиме, прежде чем вернуться к работе [19]. Каждый несёт ABI и геостационарный регистратор молний GLM, который смотрит на линию 777,4 нм и делает около 500 кадров в секунду, чтобы поймать каждую вспышку — и разряды в землю, и внутриоблачные, — с пикселями 8 км в надире [16]. Европейский «Метеосат-12», первый изображающий спутник третьего поколения (MTG), вошёл в строй 4 декабря 2024 года: весь диск каждые 10 минут, пиксели от 500 м до 2 км и первый в Европе регистратор молний [20][21]. MTG-S1, запущенный 1 июля 2025 года, введён в строй 2 июля 2026 года и переведён на 0°: его ИК-зондировщик даёт профили температуры и влажности над Европой каждые 30 минут, а спектрометр Sentinel-4 каждый час измеряет качество воздуха [22][37]. MTG-I2 стартовал на «Ариане-6» 27 августа 2026 года; ему предназначены точка 9,5° в. д. и сканирование Европы раз в 150 секунд [22][23]. Японский «Химавари-9» — основной спутник над западной частью Тихого океана с 13 декабря 2022 года [24], а Китай 27 декабря 2025 года (по пекинскому времени) запустил «Фэнъюнь-4C», который заменит FY-4A и будет работать вместе с FY-4B [25].

Полярная сеть. Объединённая полярная спутниковая система NOAA (JPSS) — Suomi NPP, NOAA-20 и NOAA-21 — несёт микроволновый зондировщик ATMS, инфракрасный зондировщик CrIS и радиометр VIIRS на послеполуденных орбитах; следующим NOAA называет JPSS-4 (будущий NOAA-22) с готовностью к запуску в 2027 году [26][27]. Европейская «утренняя» орбита переходит ко второму поколению MetOp: шесть спутников, три пары A/B. Metop-SG-A1, запущенный 13 августа 2025 года с новым микроволновым зондировщиком, ИК-зондировщиком IASI-NG и прибором Sentinel-5, в августе 2026 года ещё проходил ввод в строй [29]; Metop-SG-B1 с микроволновым сканирующим радиометром, радиометром ледяных облаков и скаттерометром для ветра над океаном прибыл в Куру 16 октября 2026 года для запуска, ожидаемого в конце года [39]. Российский «Метеор-М» № 2-4, запущенный 29 февраля 2024 года, летает на высоте 820,7 км со своим радиометром, микроволновым радиометром и ИК-зондировщиком [8].

Каждый расчёт модели погоды начинается с наилучшей оценки состояния всей атмосферы, уточнённой миллионами наблюдений. Большая часть их приходит с орбиты, и самые ценные — наименее эффектные: зондировщики. Микроволны проходят сквозь большинство облаков, поэтому микроволновый зондировщик даёт профили температуры и влажности почти в любую погоду [41]. В экспериментах ЕЦСПП в июне 2011 года яркости микроволновых зондировщиков AMSU-A дали наибольший отдельный вклад в уменьшение ошибки 24-часового прогноза — около 21 %, а ветры по движению облаков на спутниковых снимках (геостационарных, а у полюсов — полярных) добавили 6 % [30]. Полярные спутники NOAA, по словам самого ведомства, дают «большую часть данных» для прогнозов в США [26]; эстафету несут ATMS и микроволновый зондировщик MetOp-SG.

Ураганы показывают, почему нужны обе орбиты. Над открытым океаном нет ни радаров, ни метеозондов, поэтому положение и сила шторма определяются из космоса. GOES-East ставит над атлантическим ураганом мезомасштабный квадрат с обновлением раз в минуту или раз в 30 секунд [14][17]. Интенсивность по-прежнему часто оценивают методом Дворака: на ИК-снимке шторма с глазом аналитик сравнивает температуру тёплого глаза с окружающими холодными вершинами облаков — чем больше разность, тем сильнее циклон [31]. Это та самая яркостная температура из главы 5. А полярные микроволновые зондировщики заглядывают внутрь шторма, под вершины облаков, которые скрывают его в ИК-диапазоне [41].