Aktualności

Nowy model opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze

11-09-2019

Wykonując laserowe pomiary odległości do sztucznych satelitów Ziemi z wykorzystaniem naziemnych dalmierzy laserowych (ang. Satellite Laser Ranging, SLR), wiązka lasera przechodzi dwukrotnie przez atmosferę: od stacji do satelity oraz po odbiciu od retroreflektora od satelity do stacji naziemnej i ulega każdorazowo opóźnieniu od kilku do kilkudziesięciu metrów. Opóźnienie zachodzi przede wszystkim w najniższej warstwie atmosfery – troposferze i zależy w największym stopniu od ciśnienia atmosferycznego, a w mniejszym zakresie od zawartości pary wodnej, temperatury i koncentracji dwutlenku węgla w troposferze.

Dotychczasowe modele opóźnienia troposferycznego brały pod uwagę jedynie pomiary meteorologiczne wykonywane na stacjach laserowych wraz z pomiarami odległości do satelitów. Obecnie stosowane modele zakładają pełną symetryczność atmosfery nad stacjami, co prowadzi do błędów systematycznych oraz degradacji wyznaczonych odległości we wszystkich pomiarach laserowych wykonywanych do satelitów.

Zespół naukowców z IGiG UPWr. oraz GFZ Potsdam wspólnie opracował nowy model opisujący w jaki sposób wiązka laserowa ulega opóźnieniu w atmosferze z uwzględnieniem pełniej asymetryczności atmosfery. Jest to pierwszy tego typu model, który jest oparty zarówno na wykorzystaniu pomiarów meteorologicznych na stacjach celem wyliczenia opóźnienia w kierunku zenitu, jak i na numerycznych modelach pogody celem wyznaczenia opóźnienia skośnego w kierunku do satelity, gdyż wówczas wiązka laserowa przechodzi przez różne warstwy atmosfery. Przykładowo, warstwa troposfery nad równikiem jest o wiele grubsza niż nad biegunami, tym samym dominującym parametr opisujący asymetryczność stanowi gradient północny opóźnienia troposferycznego. Opracowany model uwzględnia również lokalne warunki wokół stacji laserowych np. ukształtowanie terenu (w terenie górzystym) czy też sąsiedztwo zbiorników wodnych.

Wiązka laserowa zachowuje się inaczej w atmosferze niż fala elektromagnetyczna z zakresu mikrofalowego wykorzystywana w technice GNSS lub w interferometrii wielkobazowej VLBI. W przypadku obserwacji mikrofalowych modele asymetryczności atmosfery wykorzystywane są od kilku lat. Jednakże obserwacje laserowe są około 70 razy mniej podatne na opóźnienie wynikającej z zawartości pary wodnej w atmosferze niż obserwacje mikrofalowe, podczas gdy opóźnienie hydrostatyczne jest większe w obserwacjach laserowych niż mikrofalowych. Z drugiej strony obserwacje laserowe mogą być wykonywane tylko pod bezchmurnym niebem, gdyż laser nie przechodzi przez chmury, podczas gdy sygnały mikrofalowe z satelitów GNSS czy też pozaziemskich kwazarów w VLBI przechodzą przez każdy rodzaj chmur. Stąd też zrodziła się potrzeba opracowania modelu opóźnienia wiązki laserowej w troposferze przez polsko-niemiecki zespół naukowców z IGiG oraz GFZ. Model opóźnienia sprawdza się w przypadku różnych typów laserów wykorzystywanych w obserwacjach satelitarnych: zielonego (532 nm), niebieskiego (423 nm), w bliskiej podczerwieni (846 oraz 1064 nm) oraz znacząco zmniejsza błędy systematyczne w rozwiązaniach SLR.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule opublikowanym w Journal of Geodesy:
Mateusz Drożdżewski, Krzysztof Sośnica, Florian Zus, Kyriakos Balidakis (2019) Troposphere delay modeling with horizontal gradients for satellite laser ranging. Journal of Geodesy, DOI: https://doi.org/10.1007/s00190-019-01287-1.


Porównanie gradientów horyzontalnych opóźnienia troposferycznego dla mikrofal (np. w pomiarach GNSS, po lewej) i lasera (SLR, po prawej) dla tej samego godziny. Górne rysunki przestawiają składową północną, a dolne – wschodnią gradientów horyzontalnych.

Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu OPUS: Innowacyjne metody modelowania opóźnienia troposferycznego dla laserowych pomiarów odległości do sztucznych satelitów Ziemi UMO-2015/17/B/ST10/03108.