気象衛星

気象衛星は地球観測衛星の一種で、主に地球の天気や気候を監視するために使用されます。衛星には極軌道衛星（地球全体を非同期でカバーする）と静止衛星（赤道上の同じ地点に浮かぶ）があります。^[1]

気象衛星は主に嵐やその他の雲のパターンの発達と動きを検出するために使用されますが、都市の光、火災、汚染の影響、オーロラ、砂嵐と砂塵嵐、積雪、氷のマッピング、海流の境界、エネルギーの流れなどの他の現象も検出できます。他の種類の環境情報も気象衛星を使用して収集されます。気象衛星画像は、セントヘレンズ山の火山灰雲やエトナ山などの他の火山の活動を監視するのに役立ちました。^[2]コロラド州やユタ州などの米国西部の火災の煙も監視されています。

エルニーニョ現象とその気象への影響は、衛星画像から毎日監視されています。南極のオゾンホールは気象衛星データから地図化されています。米国、ヨーロッパ、インド、中国、ロシア、日本が運用する気象衛星は、総合的にほぼ継続的に観測を行い、地球規模の気象監視を行っています。

歴史

1946年には早くも、気象観測のために軌道上にカメラを設置するというアイデアが開発されていた。これは、観測データのカバー範囲が狭く、ロケットに雲カメラを搭載するには費用がかかったためである。1958年までに、TIROSとVanguard（陸軍通信隊が開発）の初期プロトタイプが作成された。^[3] 最初の気象衛星であるVanguard 2は、1959年2月17日に打ち上げられた。^[4] この衛星は雲の量と抵抗を測定するように設計されたが、回転軸が悪く、軌道が楕円形だったため、十分な量の有用なデータを収集できなかった。Explorer 6号とExplorer 7号の衛星にも気象関連の実験が含まれていた。^[3]

成功したとされる最初の気象衛星は、1960年4月1日にNASAによって打ち上げられたTIROS-1でした。 ^[5] TIROSは78日間運用され、ヴァンガード2号よりもはるかに成功したことが証明されました。他の初期の気象衛星プログラムには、1962年の国防衛星応用プログラム（DSAP）^[6]と1964年のソビエト連邦のMeteorシリーズがあります。

TIROSはニンバス計画への道を開いた。この計画の技術と成果は、NASAとNOAAがそれ以降に打ち上げた地球観測衛星のほとんどに受け継がれている。1969年のニンバス3号衛星から始まり、大西洋東部と太平洋の大部分の衛星によって対流圏の温度情報が取得されるようになり、天気予報が大幅に改善された。^[7]

1960 年代後半以降、ESSA と NOAA の極軌道衛星もこれに続きました。静止衛星は、1960 年代後半から 1970 年代前半にかけてATSおよびSMSシリーズに始まり、1970 年代以降は GOES シリーズが続きました。QuikScatやTRMMなどの極軌道衛星は、1970 年代後半から、レーダー表示に似たマイクロ波画像を使用して海面近くの風に関する情報を中継し始めました。これにより、2000 年代から 2010 年代にかけて、熱帯低気圧の強さ、激化、および位置の診断が大幅に改善されました。

NOAAが所有するDSCOVR衛星は2015年に打ち上げられ、宇宙天気を観測・予測できる初の深宇宙衛星となった。太陽風や磁気嵐など潜在的に危険な天候を検知することができる。これにより、人類は2010年代後半から正確かつ先制的な宇宙天気予報を行う能力を獲得した。^[8]

ヨーロッパでは、最初のメテオサット静止気象衛星であるメテオサット1号が、1977年にデルタロケットで打ち上げられました。この衛星は、スピン安定化円筒形設計で、直径2.1メートル、高さ3.2メートル、約100rpmで回転し、メテオサット可視赤外画像装置（MVIRI）を搭載していました。その後のメテオサット第1世代衛星は、フランス領ギアナのクールーからヨーロッパのアリアン4号ロケットで打ち上げられ、1997年から2017年までデータを収集したメテオサット7号まで、当初は欧州宇宙機関によって、後に欧州気象衛星開発機構（EUMETSAT）によって運用されました。

日本は1977年以降、9基のひまわり衛星を打ち上げてきた。中国は1988年以降、21基の風雲衛星を打ち上げてきた。

メテオサット第2世代（MSG）衛星は、物理的に第1世代よりも大きく、質量も2倍であるものの、スピン安定化されており、ESAと欧州の産業界およびEUMETSATの協力により開発されました。EUMETSATはその後、ドイツのダルムシュタットにある本部から衛星を運用し、この同じアプローチがその後のすべての欧州気象衛星に採用されました。最初のMSG衛星であるメテオサット8は、2002年にアリアン5型ロケットで打ち上げられ、回転式可視赤外撮像装置（SEVIRI）と静止地球放射収支（GERB）機器、およびCOSPAS-SARSAT捜索救助（SAR）とARGOSデータ収集プラットフォーム（DCP）ミッションをサポートするペイロードを搭載していました。SEVIRIはMVIRIよりも多くのスペクトルチャネルを提供し、地球全体を2倍の速度で撮影しました。メテオサット9号は、メテオサット8号を補完するために2005年に打ち上げられ、2番目のペアであるメテオサット10号とメテオサット11号は、それぞれ2012年と2015年に打ち上げられました。

メテオサット第3世代（MTG）プログラムは、2022年に最初の衛星を打ち上げ、天気予報と気候監視のためのデータ収集という使命をサポートするために、前任者に比べて多くの変更を加えました。MTG衛星は、スピン安定型ではなく3軸安定型であるため、衛星と機器の設計においてより柔軟に対応できます。MTGシステムは、同じ衛星バスを共有する別々のイメージャー衛星モデルとサウンダ衛星モデルを備えており、ベースラインの3つの衛星（イメージャー2つとサウンダ1つ）が運用構成を形成します。イメージャー衛星は、MVIRIとSEVIRIの後継となるフレキシブル複合イメージャー（FCI）を搭載し、さらに高い解像度とスペクトル範囲を提供し、10分ごとに地球全体をスキャンするほか、新しい雷イメージャー（LI）ペイロードも搭載しています。サウンダ衛星は、赤外線サウンダ（IRS）と紫外線可視近赤外線（UVN）機器を搭載しています。 UVN は欧州委員会のコペルニクス計画の一部であり、高空間解像度で毎時ヨーロッパの空気の質、微量ガス、エアロゾルを監視するSentinel-4ミッションを遂行しています。2 つの MTG 衛星 (1 つはイメージャー、もう 1 つはサウンダ) は西アフリカの 0 度の静止位置から近接して運用され、東大西洋、ヨーロッパ、アフリカ、中東を観測します。一方、2 つ目のイメージャー衛星は 9.5 度の東から運用され、ヨーロッパのラピッドスキャンミッションを実行します。MTG は、ARGOS および捜索救助ミッションに対する Meteosat サポートを継続します。MTG-I1 は、最後のアリアン 5 打ち上げの 1 つで打ち上げられ、後続の衛星はアリアン 6 の運用開始時に打ち上げられる予定です。

2006年、欧州初の低軌道運用気象衛星メトップ-Aが、カザフスタンのバイコヌールからソユーズロケットで高度817kmの太陽同期軌道に打ち上げられた。EUMETSAT極軌道システム（EPS）の宇宙セグメントを構成するこの運用衛星は、ESAのERSおよびEnvisat実験ミッションの伝統に基づいて構築され、その後6年ごとにメトップ-Bとメトップ-Cが続き、後者はフランス領ギアナから「欧州化された」ソユーズで打ち上げられた。各衛星には、イメージャーやサウンダから散乱計や電波掩蔽計まで、設計上幅広い13の異なる受動的および能動的な機器が搭載されている。衛星サービスモジュールはSPOT-5バスに基づいており、ペイロードスイートは、EUMETSATとNOAA間の初期共同極軌道システム協定に基づく欧州と米国の新旧機器の組み合わせである。

第 2 世代の Metop 衛星 ( MetOp-SG ) は現在開発が進められており、最初の衛星の打ち上げは 2025 年に予定されています。MTG と同様に、Metop-SG は Ariane-6 で打ち上げられ、EPS ミッションを継続するために単一の第 1 世代衛星の代わりにペアで運用される 2 つの衛星モデルで構成されます。

観察

観測は通常、電磁スペクトルのさまざまな「チャネル」、特に可視光線と赤外線部分を介して行われます。

これらのチャネルには以下のものが含まれる: ^[9]^[10]

可視光線および近赤外線: 0.6～1.6 μm – 日中の雲量を記録する
赤外線: 3.9～7.3 μm (水蒸気)、8.7～13.4 μm (熱画像)

可視スペクトル

気象衛星から現地の昼間に撮影された可視光画像は一般の人でも簡単に解釈でき、雲、前線や熱帯低気圧などの雲系、湖、森林、山、雪氷、火災、煙、スモッグ、ほこり、もやなどの汚染がすぐにわかります。連続した写真から雲のパターン、配置、動きによって風さえも判断できます。^[11]

赤外線スペクトル

走査型放射計と呼ばれるセンサーによって記録された熱画像または赤外線画像により、訓練を受けた分析者は雲の高さと種類を判断し、陸地と地表水の温度を計算し、海面の特徴を見つけることができる。赤外線衛星画像は、暖かい目と周囲の冷たい雲頂の温度の差を使用してその強度を判定できるドヴォラック法を使用して、目に見える目のパターンを持つ熱帯低気圧を効果的に検出することができる（通常、雲頂の温度が低いほど、より激しい嵐を示す）。^[12] 赤外線画像は海洋の渦や渦流を描写し、海運業界にとって貴重なメキシコ湾流などの海流を地図に表す。漁師や農家は、作物を霜から守ったり、海からの漁獲量を増やしたりするために、陸地と水温を知ることに関心がある。エルニーニョ現象さえも発見できる。カラーデジタル化技術を使用して、グレーシェーディングされた熱画像をカラーに変換し、必要な情報を簡単に識別できるようにすることができる。

種類

各気象衛星は、静止軌道と極軌道という 2 つの異なる軌道クラスのいずれかを使用するように設計されています。

静止軌道

静止気象衛星は、高度 35,880 km (22,300 マイル) の赤道上空を周回しています。この軌道のおかげで、衛星は自転する地球に対して静止しており、可視光センサーと赤外線センサーを使用して、下半球全体の画像を継続的に記録または送信できます。ニュースメディアは、静止画像を 1 枚の写真として、またはムービーループにして、毎日の天気予報に使用しています。これらは、www.noaa.gov の都市予報ページ (例: ダラス、テキサス州) でも入手できます。^[13]

静止気象衛星は複数運用されている。米国のGOESシリーズには、 GOES-15、GOES-16、GOES-17の3機が運用されている。GOES-16とGOES-17は、それぞれ大西洋と太平洋上に静止している。^[14] GOES-15は2019年7月初旬に退役した。 ^[15]

これまでアメリカ海洋大気庁（NOAA）が所有していたGOES 13衛星は2019年にアメリカ宇宙軍に移管され、EWS-G1と改名され、米国国防総省が所有・運用する初の静止気象衛星となった。^[16]

ロシアの新世代気象衛星エレクトロL1号は、インド洋上空76°Eで運用されている。日本は中部太平洋上空の145°EにMTSAT -2、140°Eにひまわり8号を保有している。ヨーロッパでは、大西洋上にメテオサット-8（西経3.5°）とメテオサット9（0°）、インド洋上にメテオサット6（東経63°）とメテオサット7（東経57.5°）の4機が運用されている。中国は現在、風雲（ Fengyun）静止衛星4機（FY-2Eが86.5°E、FY-2Fが123.5°E、FY-2Gが105°E、FY-4Aが104.5°E）を運用している。^[17] インドも気象目的の機器を搭載した INSATと呼ばれる静止衛星を運用している。

極軌道

極軌道気象衛星は、通常高度 850 km (530 マイル) で北から南 (またはその逆) へ地球を周回し、連続飛行中に両極上空を通過します。極軌道気象衛星は太陽同期軌道上にあるため、地球上のあらゆる場所を観測でき、ほぼ一定の地方太陽時により、毎日 2 回、同じ一般的な照明条件であらゆる場所を観測できます。極軌道気象衛星は地球に近いため、静止衛星よりもはるかに優れた解像度を提供します。

米国はNOAAシリーズの極軌道気象衛星を保有しており、現在は NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19 ( POES ) および NOAA-20 および NOAA-21 ( JPSS ) となっている。欧州にはEUMETSATが運用するMetop -A、Metop -B、Metop -C 衛星がある。ロシアにはMeteorシリーズおよび RESURS シリーズの衛星がある。中国にはFY -3A、3B、3C がある。インドにも極軌道衛星がある。

DMSP

米国防総省の気象衛星 ( DMSP ) は、巨大な石油タンカーほどの「小さな」物体を検知する能力を備え、あらゆる気象観測衛星の中で最も優れた「視認性」を備えています。さらに、軌道上にあるすべての気象衛星の中で、夜間を視覚的に「視認」できるのは DMSP だけです。最も壮観な写真のいくつかは、夜間視覚センサーによって記録されています。都市の明かり、火山、火事、稲妻、流星、油田の焼失、オーロラ(北極光)と南極光 (南極光)が、高度 720 キロメートル (450 マイル) のこの宇宙船の低高度月光センサーによって捉えられています。

同時に、大都市だけでなく小都市でも、高速道路の明かりが目立つため、エネルギーの使用と都市の成長を監視できます。これにより、天文学者は光害について知ることができます。1977年のニューヨーク市停電は、夜間周回衛星 DMSP の 1 つによって撮影されました。

これらの写真は、街の明かりを監視するだけでなく、火災の検知と監視において命を救う資産です。衛星は昼夜を問わず火災を視覚的に確認するだけでなく、気象衛星に搭載された熱および赤外線スキャナーが、くすぶりが発生する地表下の潜在的な火災源を検出します。火災が検出されると、同じ気象衛星が、火を煽ったり延焼させたりする可能性のある風に関する重要な情報を提供します。宇宙から撮影されたこれらの同じ雲の写真は、消防士に雨が降る時期を伝えます。

最も衝撃的な写真の中には、 1991 年 2 月 23 日にイラク軍が撤退中に起こした 600 のクウェートの石油火災を写したものもある。夜間の写真には、人口密集地帯の輝きをはるかにしのぐ巨大な閃光が写っている。火災は大量の石油を消費し、最後の火は 1991 年 11 月 6 日に消火された。

用途

特にシエラネバダ山脈の雪原監視は、米国西部の流域に不可欠な流出に利用可能な積雪量を追跡する水文学者にとって役立ちます。この情報は、米国政府のすべての機関の既存の衛星から収集されます (現地の地上測定に加えて)。氷の浮氷、塊、氷山も気象衛星から位置を特定して追跡できます。

自然が原因か人為的なものかを問わず、汚染さえも正確に特定できます。可視写真と赤外線写真には、それぞれの地域からの汚染の影響が地球全体に広がっています。航空機やロケットによる汚染、凝結跡も確認できます。宇宙写真から得られる海流と低層風の情報は、海洋の石油流出の範囲と動きを予測するのに役立ちます。ほぼ毎年夏になると、アフリカのサハラ砂漠の砂と塵が大西洋の赤道地域を漂います。GOES-EASTの写真により、気象学者はこの砂雲を観測、追跡、予報することができます。砂雲は視界を低下させ、呼吸器系の問題を引き起こすだけでなく、熱帯地方の太陽放射バランスを変化させることでハリケーンの形成を抑制します。アジアや中国本土で発生するその他の砂塵嵐は一般的であり、発見と監視が容易で、最近では砂塵が太平洋を横切って北米に到達した例もあります。

現地の観測者がほとんどいない世界の遠隔地では、当局が警告を発する前に、火災が数日または数週間にわたって制御不能に陥り、広大な地域を焼き尽くす可能性があります。気象衛星は、このような状況で貴重な資産となります。夜間の写真には、ガス田や油田の焼失も写っています。気象衛星による大気の温度と湿度のプロファイルは、1969年以来撮影されています。^[18]

非画像センサー

すべての気象衛星が直接撮影装置というわけではありません。衛星の中には、一度に1ピクセルの測定を行う測深機であるものもあります。水平方向の空間分解能はありませんが、垂直方向の大気層を解像できるものが多くあります。衛星の地上経路に沿った測深は、後でグリッド化して地図を作成することもできます。

国際規制

国際電気通信連合（ITU）によれば、気象衛星サービス（気象衛星無線通信サービスとも呼ばれる）は、 ITU無線通信規則（RR）^[19]第1.52条に従って、「気象目的の地球探査衛星サービス」と定義されています。

分類

この無線通信サービスは、ITU無線通信規則（第1条）に従って次のように分類されます：
固定サービス（第1.20条）

固定衛星業務（第1.21条）
衛星間業務（第1.22条）
地球探査衛星業務（第1.51条）
- 気象衛星サービス

周波数割り当て

無線周波数の割り当ては、ITU無線通信規則（2012年版）第5条に従って規定されている。 ^[20]

スペクトル利用の調和を改善するために、この文書で規定されているサービス割り当ての大部分は、適切な国家行政の責任範囲内にある周波数割り当ておよび利用の国家表に組み込まれました。割り当ては、プライマリ、セカンダリ、排他的、および共有のいずれかになります。

主な割り当て: 大文字で表記されます (以下の例を参照)
二次配分：小文字で示される
排他的または共有的な利用：行政の責任の範囲内である

周波数割り当ての例

参照

参考文献

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外部リンク

理論

ラルフ・E・タガード（1994年）。気象衛星ハンドブック（第5版）。コネチカット州ニューイントン：アメリカ無線中継連盟。ISBN 978-0-87259-448-7。
気象衛星研究協同研究所
ヴェルナー・スオミ（「静止衛星の父」）の伝記
- 衛星画像の解釈 – スオミバーチャルミュージアム
静止気象衛星と極軌道気象衛星の物理的特性
- NOAA POES の経済的および社会的利益

データ

宇宙から気象衛星画像をダウンロードする方法惑星協会によるガイド
Intellicastによる地球の衛星画像のほぼリアルタイム合成
国際気象衛星ビューア 2 か月分のアーカイブデータを備えたオンライン静止気象衛星ビューア。
NASAによる夜の地球
EUMETSAT – 欧州気象衛星利用機構
NASA ラングレー雲と放射線研究ほぼリアルタイムおよびアーカイブされた衛星画像と雲製品。
ISCCP グローバル ISCCP B1 ブラウズシステム (GIBBS) http://www.ncdc.noaa.gov/gibbs/ ;政府の政策
静止気象衛星：進歩は見られるが、スケジュール、緊急時対応計画、ユーザーとのコミュニケーションの弱点に対処する必要がある：下院政府監査院科学宇宙技術委員会への報告書
極地気象衛星：NOAA はデータギャップを緩和する方法を特定したが、緊急時対応計画とスケジュールにはさらなる注意が必要：下院政府監査院科学・宇宙・技術委員会への報告書

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[19] ITU無線通信規則、第IV部無線局およびシステム – 第1.52条、定義:気象衛星業務/気象衛星無線通信業務

[20] ITU無線通信規則、第2章周波数、第5条周波数割り当て、第4節周波数割り当て表

歴史

観察