A NOAA több poláris pályán keringő meteorológiaiműholdat bocsátott fel napjainkig az 1970-es évek óta. Ezeket NOAA-POES műholdaknak nevezik és sorszámmal látják el a sikeres pályára állítás után. Rendszerint 2 műhold üzemel egyszerre. A legismertebb szenzor a AVHRR szenzor, mellyel naponta globális lefedést lehet készíteni.
A NOAA sorozat akkor vált igazán ismertté, amikor a fedélzeten megjelent az AVHRR (Advenced Very High Resolution Radiometer), az ún. fejlett, nagyon nagy felbontású radiométer. A sikeres felbocsátás után a betűk helyett számokkal látták el a műholdakat. Ezen sorszámozás alapján a 6-os sorszámú volt az első műhold, amely már hordozta az AVHRR berendezést. A műholdak közül a páros számúak nappal, 7 óra 30 perckor keresztezik az Egyenlítőt észak-déli irányú pályájukon, míg a páratlan sorszámúak éjszaka, 02 óra 30 perckor teszik ugyanezt. [4]
A rendszer felbontóképessége a többi, később kifejlesztett rendszerhez képest nem olyan nagy, mint azt a neve sugallja, hiszen a nadír helyzetű pixelek 1,1 km széles területeket jelölnek. Kialakításakor azonban ez még tényleg jó felbontásnak számított, bár a szenzor rendszerbeállítása óta sokat javult a műholdak felbontó-képessége. A NOAA sorozat műholdjai az AVHRR 1,1 km-es geometriai felbontása és nagy látószöge miatt óriási területet tudnak egyidejűleg felvételezni. Egy érzékelt sáv szélessége kb. 2400 km, amely pl. az amerikai kontinenst tekintve, majdnem félig lefedi az Amerikai Egyesült Államok területét.
Az AVHRR a keresztsávú radiométerek közé tartozik, a pillanatnyi látómező 1,4 mrad. Percenként 360 pásztázás történik, egy sorban 2048 mintát vesz (1,36 minta 1 IFOV-ra). A nadírhelyzettől maximum 55,4°-kal térhet el a látószög. Termé-szetesen a felbontás erősen változik, ahogy a rálátás szöge nő. A rálátás szögének változása és a Föld görbülete együttesen erősen torzítja a képeket a szélek felé, de ezt geometriai korrekcióval ki lehet küszöbölni.
A NOAA AVHRR különösen a vegetáció nagy területű monitoringjához biztosít kedvező feltételeket. Általában a spektrális csatornák közül a látható fény tartományába eső 1. sávot (0,58–0,68 µm) és a közel infravörös 2. sávot (0,73–1,1 µm) használják erre a célra.
Azokat a matematikai kifejezéseket, melyekben e két sáv segítségével fejezzük ki a vegetáció jelenlétét és állapotát, vegetációs indexeknek nevezzük. A vegetációs indexek közül kettőt – az egyszerű vegetációs indexet (VI, simple Vegetation Index), és a normalizált vegetációs indexet (NDVI, NormalizeD Vegetation Index) – már rutinszerűen számolnak és használnak az AVHRR adatok segítségével. Az m oszlopból és n sorból álló kép i oszlopában és j sorában elhelyezkedő pixel által reprezentált terület vegetációs indexe a következőképpen fejezhető ki:
VIi,j = p2i,j / p1i,j
és
NDVIi,j = (p2i,j - p1i,j ) / (p2i,j + p1i,j),
ahol p2 a pixel értéke a 2. sávban (IR) és p1 a pixel értéke az 1. sávban.
Az NDVI értéket bármely olyan műholdfelvétel alapján kiszámíthatjuk, mely tartalmaz az AVHRR szenzor első két sávjával megegyező sávokat, ezért az NDVI értékét általános formában is megadhatjuk a következőképpen:
NDVI = (IR-R)/(IR+R)
Az NDVI értéke -1 és 1 közé eső szám lehet. A normalizált vegetációs indexet inkább a globális vegetációs monitoring érdekében vezették be, hiszen így kiküszöbölhetők a besugárzás, a lejtőszög, a kitettség és más külső tényezők okozta eltérések. A dús, egészséges vegetációjú területek NDVI értéke 0,2 és 0,8 között van a növények sűrűségétől és klorofiltartalmától függően.
A növényzettel borított területek indexei nagyobb értékűek lesznek a vegetáció relatíve magas infravörös és alacsony vörös reflektanciája miatt, mint a vegetációmentes felszínek. A felhő, a víz és a hó magas látható fény és alacsonyabb infravörös visszaverése miatt negatív vegetációs indexű. A kőzet- és talajfelszínek a közel azonos infravörös és vörös reflektancia miatt nullához közeli vegetációs indexűek.
A negatív NDVI értékek elkerülése érdekében bevezették a transzformált vegetációs indexet, melynek értéke:
TNDVI = (NDVI + 0,5)1/2
Később, elsősorban a Landsat MSS és TM felvételek alapján, számos további tapasztalati (empirikus) indexeket (LAI – levélborítottsági index, greenness index – zöld vegetáció index, stb.) is kialakítottak, melyek alkalmasak a növényzettel kapcsolatos paraméterek mérésére.
Az AVHRR adatokat mozaikszerűen feldolgozva elkészíthető a napi globális NDVI térkép. A napi 14 pálya mozaikszerű kompozícióját egy poláris-sztereogra-fikus vetületben ábrázolják. Mivel a Föld fele általában felhővel takart, ezért egy 7 napos adatfelvételi periódust használnak a végleges kompozíciók elkészítéséhez. Olyan területekről, amelyekről több sikeres felvételezés is készült e hét nap alatt, az egyes pixelhez mindig a legnagyobb NDVI értéket rendelik. Egy ilyen kép mindig a legkevesebb felhővel ábrázolja a Földet. Az AVHRR adatokat három különböző formában tárolják:
HRPT (High Resolution Picture Transmission) - nagyfelbontású képátvitel adatai teljes felbontásúak, azaz a térbeli felbontás 1,1 km. Bármely olyan fogadóállomáson gyűjthetők, amely fölött éppen áthalad a műhold. A HRPT a korábban alkalmazott APT adatátviteli rendszer megfelelője.
LAC (Local Area Coverage) - helyi területfedési adatok. Minden pályán 10 percnyi, teljes felbontású adattömeg tárolható a fedélzeten és újra lejátszhatók, ha a műhold valamelyik fogadóállomás fölé ér. A 10 percnyi adat megfelel egy 4000x2400 km-es területnek.
GAC (Global Area Coverage) - globális területfedési adatok. A teljes felbontású adatok mennyiségét csökkentik, így globális fedés érhető el. Az adatértékelési keret egy 3 sorból és soronként 5 pixelből álló, 15 eredeti pixel feldolgozása után létrejött háló. Egy GAC pixel reprezentálja ezeket a képelemeket oly módon, hogy az új pixelérték az sor adott 4 pixelének az átlaga lesz.
Az Európai Űrügynökség (ESA) már korábban is tervezte poláris pályán keringő meteorológiai és környezetkutató műhold pályára állítását. Az 1990-es évek elején korábbi sikeres programokra (SPOT, ERS) alapozva kívánták kialakítani a tudományos kutatást, az operatív meteorológiai elemzéseket és további alkalmazá-sokat támogató műholdrendszert. E többfunkciójú program kezdetben egyik eleme volt a Kolumbusz Űrállomás Programnak (Columbus Space Station Programme), illetve a funkciók szerepeltek a POEM-1 (Polar Orbiting Earth Observation Mission) program feladatai között is. Az ENVISAT műholdprogram végül a Polar Platform nevű fejlesztési program része lett. 1990-ben az ESA Tanácsa elfogadta a Polar Platform előterjesztést, s a SPOT-4 műholddal kapcsolatos tapasztalatokra építve, 1991 elején indult volna el a tervek szerinti megvalósítás. 1995-ig számos költségcsökkentő döntést hoztak, így végül a POEM-1 programot két részre osztották, az ENVISAT és a METOP-1 programokra. Ezáltal a környezetkutató és a meteorológiai vizsgálatok két különböző műholdprogram keretében valósulnak meg.
Az ENVISAT pályasajátosságai és feladatai
Az ENVISAT közel-poláris, napszinkron pályán kering a Föld körül, kb. 800 km-es magasságban, a pálya inklinációja 98,55°.
A műhold leszálló pályáján 10 órakor halad át az Egyenlítő felett. A műhold 35-napos ciklusokban kering, de miután a legtöbb szenzora széles földfelszíni sávot fed le, egy-egy terület ismételt fedése 1–3 nap alatt lehetséges az adott hely szélességi értékétől függően. Ezek alól kivételek a függőleges szerkezeti vizsgá-latokat végző berendezések (MWR, RA-2), melyek az ERS-1, -2 műholdakhoz hasonlóan, csak szűk földfelszíni sávoknak megfelelő területeket elemeznek.
Az ENVISAT program fő célja, hogy Európa mind nagyobb súllyal vegyen részt a Föld megfigyelésében és a környezeti kutatásokban.
Elsődleges feladatok közé tartozik:
az ERS műholdak által megkezdett radaros megfigyelések folytatása,
tovább finomítani az ERS típusú megfigyeléseket elsősorban az óceánokra és a jéggel borított felszínekre vonatkozóan,
a környezeti változásokat okozó tényezők vizsgálata
növekvő részvétel a légkörkémiai és a tengerbiológiai kutatásokban.
Másodlagos feladatok közé tartozik:
a földi erőforrások még hatékonyabb kutatása,
a szilárd földfelszín folyamatainak jobb megértése.
Az ENVISAT berendezései
A MERIS (MEdium Resolution Imaging Spectrometer Instrument), egy toló-seprő pásztázó technikát alkalmazó, közepes felbontású képkészítő spektrométer, melynek teljes látószöge 68,5°-os. A Föld felszínéről visszavert napsugárzást a látható fény és az infravörös tartomány 15 spektrális sávjában méri, a térbeli felbontás 300 m. A MERIS 3 naponként globális fedést biztosít.
A MERIS feladata a tengerek színének és a partmenti vízfelszínek vizsgá-lata. A tenger színe összefüggésben van a klorofiltartalommal, a szállított hordalék mennyiségével és a tenger fölötti légréteg aeroszoltartalmával. Az óceán színére vonatkozó első vizsgálatokat a Nimbus-7 műholdon elhelyezett CZCS nevű berendezéssel végezték a NASA szakemberei 1978 és 1986 között. A következő 10 évben hasonló jellegű kutatások nem folytak. 1996-ban India útjára indította a MOS nevű német gyártású szenzort. Bár ezzel a műszerrel nem lehetett globális fedést elérni, mégis első forrása volt az újra megkezdett kutatásoknak. 1996. augusztu-sában Japán felbocsátotta a japán OCTS és a francia POLDER szenzort az ADEOS fedélzetén. Ezek a nagyon hatékony műszerek csak 1997 júniusáig tudtak működni, amikor a napelemek meghibásodása miatt a program befejeződött. 1997 augusztusában az USA elindította a SeaWIFS szenzort, mellyel jelenleg is biztosított a 2 naponkénti teljes fedés. Már napjainkban is és a jövőben még számos újabb szenzor fogja szolgáltatni az adatokat az óceánok színéről (GLI, MISR, MODIS, OCI, OCM, OSMI, POLDER-2). A MERIS segítségével mérhető még: a felhőtető ma-gassága, a vízgőztartalom, a szárazföldek feletti levegő aeroszoltartalma.
Az AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) elsődleges feladata az ATSR-1 és az ATSR-2 ERS szenzorok által megkezdett mérések folytatása a pontos tengerfelszín hőmérsékletmérések terén (SST – Sea Surface Temperature). A klímakutatás szempontjából alapvető fontosságú, közel 10 éves folyamatos mé-rés pontossága ≤ 0,3 °K. A szenzor másodlagos feladata a szárazföldek, a vegetáció kvantitatív elemzése, pl. globális vegetációs indexek előállítása.[5]
Az AATSR az ATSR berendezésekhez hasonlóan két berendezésből: egy látható fény tartományába eső sávokkal kiegészített infravörös radiométerből (IRR – InfraRed Radiometer), és egy mikrohullámú radiométerből (MWR – MicroWave Radiometer) áll.
A tengerfelszín hőmérsékletét mérő korábbi 4-csatornás infravörös radio-métert bővítették. A hét sávtartomány közepei: 0,55, 0,67, 0,87, 1,6, 3,7, 10,7 és 12 µm. A termális infravörös sávokban a földfelszín kisugárzását lehet érzékelni. A két irány (0° és 52°) mentén történő érzékelés révén a tengerfelszín hőmérsékletének mérési pontossága 0,5° K-nél jobb. A második és a harmadik hullámsáv megegyezik az AVHRR szenzor első két sávjával, amelyekkel a vegetációs indexek képezhetők és a térbeli felbontás nadírban, 1x1 km is hasonló az AVHRR felbontásához. A 0,55 µm középpontú sávban a klorofiltartalom mérhető, követ-keztetni lehet a növényzet egészségi állapotára a növekedés ütemére, stb.
Az MWR mikrohullámú radiométer, mely szintén az AATSR része, egy passzív kétcsatornás (23,8 és 36,5 GHz) radiométer. A mikrohullámú szonda az alsó-légkör 20 km vastag rétegének teljes vízgőztartalmát méri. Az adatok révén ponto-sabban adható meg a tengerfelszín hőmérséklete, valamint a berendezés troposzféra kiterjedés-korrekcióval segíti a radar magasságmérő tevékenységét. Az MWR segít-ségével pontosabb képet kaphatunk a felszín emisszióképességéről, a talaj nedves-ségtartalmáról, a felszín energiaegyenlegéről, stb.
A GOMOS az atmoszféra összetevőinek koncentrációját méri sajátos belső kalibrációs technikával. A kiválasztott csillagokból érkező sugárzást megméri, mielőtt a sugárzás áthaladna a Föld légkörén, majd ahogy a műhold pályáján tovább-halad, a csillagból érkező sugárzás a Föld légkörének egyre vastagabb szeletén halad át. A légkör alkotóelemei elnyelnek bizonyos hullámhossz-tartományokban sugárzást, így a csillag sugárzásának spektrális változása a légkör összetevőinek mennyiségével lesz összefüggésben. A GOMOS a csillagok sugárzását a 0,25–0,675, a 0,756–0,773 és a 0,926–0,925 µm-es sávokban méri, továbbá kiegészül két darab 0,47–0,52 és 0,65–0,70 µm-es sávú fotométerrel. Ezzel a mérési techno-lógiával a légkör függőleges ózon- és egyéb gáztartalma nagy pontossággal mér-hető. A GOMOS naponta 600-nál több, havonta több mint 18 ezer mérést végez.