Teema 16.2.2016

Sata miljoonaa havaintoa vuorokaudessa

Sääsatelliittien merkitys on sääennusteissa huomattava, sillä avaruudesta katsovat ”silmät” varmistavat sen, että etenkään isot myrskyt eivät enää pääse yllättämään meteorologeja.

Sääsatelliittimittausten näkyvin sovellus on pilvialueiden havaitseminen, ja sään kehityksen seuraamisessa sääsatelliiteilla on edelleenkin merkittävä rooli. Satelliiteilla havainnoidaan sään lisäksi ilmakehän koostumusta, maanpintaa ja avaruutta. Mittauksista saadaan nykyisin tietoa ilmakehän lämpötila- ja kosteusjakaumasta, tuulen nopeudesta ja suunnasta ja salamoinnista, mutta myös esimerkiksi tulivuorenpurkauksista ja metsäpaloista. Satelliitit kattavat myös muilta havaintomenetelmiltä katveeseen jäävät alueet, kuten valtameret ja autiomaat.

Satelliittimittaukset muodostavatkin pääosan eurooppalaisen globaalin säämallin käyttämistä kymmenistä miljoonista havainnoista. Säämalleissa satelliittihavainnoilla on merkittävä rooli erityisesti yhden vuorokauden ennusteen osuvuuteen. Laskelmien mukaan perinteisten havaintojen osuus yhden vuorokauden ennustusvirheen vähentämisessä on noin 36 prosenttia ja satelliittien 64 prosenttia.

Euroopan sääsatelliittijärjestö EUMETSATin mukaan sääsatelliittien hyödyt ovat liki kaksikymmenkertaiset kustannuksiin nähden eli vaikka satelliittiohjelmat ovat kalliita, niiden hyödyt ovat taloudelle valtavat. Tätä ei Euroopassa ole aina helppo konkreettisesti nähdä, sillä täällä matalapaineiden vaikutukset ovat loivempia, eivätkä säätilanteisiin varautumisen vaikutukset ole yhtä ilmiselviä ja dramaattisia kuin esimerkiksi hurrikaanialueilla, joissa satelliitit tuovat reaaliaikaista tietoa hurrikaanien synnystä ja liikkeistä.

Kotro_Janne_1855
Janne Kotro

”On helpompi ymmärtää, että jos hurrikaanin reitti ja nopeus arvioidaan väärin, voivat seuraukset olla tuhoisia. Tutkimusten mukaan kuitenkin myös EU:n bruttokansantuotteesta kolmasosa on luonteeltaan sääherkkää. Ilman satelliitteja sääennusteet olisivat paljon huonompia – myös meillä Suomessa”, kiteyttää Ilmatieteen laitoksen vanhempi tutkija Janne Kotro, joka on mukana sääsatelliittituotteiden kehittämisessä.

 

Ilmatieteen laitos hyödynsi jo ensimmäisiä ”tekokuita”

Ilmatieteen laitos on hyödyntänyt sääsatelliitteja, tekokuita, lähes alusta lähtien. Ensimmäiset satelliitit tehtiin sotilaallista tiedustelua varten, mutta heti alusta lähtien niitä käytettiin myös säähavaintojen tekemiseen. Ensimmäiset satelliitit laukaistiin avaruuteen 1950-luvun lopussa ja vuonna 1966 aloitti toimintansa ensimmäinen operatiivinen sääsatelliitti. Ilmatieteen laitoksen arkistosta löytyvät vanhimmista satelliittikuvista löytyy päivämäärä 9.12.1969. ”Kuvat olivat käytännössä mustavalkofilmille tehtyjä kuvia, jotka kehitettiin samalla tapaa kuin valokuvat. Kuvia vietiin linja-autolla Helsinki-Vantaan lentokentälle ennen kuin saatiin kehitettyä teknologioita kuvien siirtoon.”

Kehitys on mennyt noista ajoista eteenpäin hurjalla vauhdilla. Satelliitteja on nykyisin avaruudessa jopa niin paljon, että vanhentuvista satelliiteista on muodostunut ongelma. Ilmatieteen laitoksella kehitettyä avaruuspurjetta onkin väläytetty yhtenä mahdollisuutena puhdistaa kiertoratoja turhasta avaruusromusta. Uusia satelliitteja kuitenkin laukaistaan avaruuteen jatkuvasti.

Satelliitit ovat nykyisin monimutkaisia laitteita, jotka tuottavat monenlaista tietoa erilaisten instrumenttien avulla. Datamäärät ovat kasvaneet räjähdysmäisesti, sillä vielä 10 vuotta sitten päivässä tuli saman verran dataa kuin nykyään saadaan yhden tunnin aikana. Yksinkertaistetusti voidaan sanoa, että yhden satelliittisukupolven vaihtuessa datamäärä kymmenkertaistuu.

Lahtinen_Panu_9325
Panu Lahtinen

”Tietyssä mielessä satelliittikuvien siirto edelleenkin hiukan ongelmallista. Vaikka kuvia ei enää kuljetella linja-autoilla, datan määrä on niin valtava, että kaiken datan siirtäminen tarpeeksi nopeasti tuottaa vielä nykyäänkin haasteita. Jotta voidaan vastata asiakkaiden tarpeisiin, käytössä on aina rajallinen aikaikkuna, sillä tuotteiden käyttöikä on lyhyt. Vanhat satelliittikuvat ovat vähän kuin eilisen uutisia”, tutkija Panu Lahtinen muotoilee.

Sääsatelliittien kanssa työskentely on myös pitkäjänteistä. Yhden satelliittisukupolven ikä on 15–30 vuotta. ”Meidän työssämme aikaperspektiivit ulottuvat 40 vuoden päähän, sillä satelliittien hyödyntämiseen liittyvät ohjelmistot pitää kehitellä jo ennen satelliittien laukaisua, jotta satelliitttien havainnot ovat heti laukaisun jälkeen käyttökelpoisia. Esimerkiksi 3. sukupolven Meteosat-ohjelman suunnittelu aloitettiin vuonna 2001 ja ensimmäinen satelliitti laukaistaan vuonna 2019 ja satelliitit toimivat parhaimmillaan vielä 2040-luvulla”, Janne Kotro kertoo.

 

Vanhat satelliittikuvat ovat vähän kuin eilisen uutisia.

Satelliitit tuottavat tietoa myös tutkimuskäyttöön

Satelliitteja on kahta pääryhmää. Päiväntasaajan yläpuolella, 36 000 kilometrin korkeudessa, päivystävät geostationaariset satelliitit, kun taas polaarisatelliitit kiertävät vinhaa vauhtia n. 850 kilometrin korkeudessa navalta navalle. Polaarisatelliittien erotuskyky on kuitenkin geostationaarisia satelliitteja huomattavasti parempi. Suomi hyödyntää operatiivisesti tällä hetkellä kuutta polaarisääsatelliittia ja kuutta geostationääristä sääsatelliittia. Ilmatieteen laitoksella vastaanotetaan sekä napojen kautta kiertävien että geostationääristen satelliittien havaintoja. Pääosa sääsatelliittien vastaanotosta tapahtuu Helsingissä. Napojen kautta kiertävien satelliittien havainnot vastaanotetaan suoraan satelliitista ylilennon aikana. Pohjoisen sijaintinsa ansiosta Ilmatieteen laitoksen Lapin ilmatieteellinen tutkimuskeskus Sodankylässä on sijainniltaan erinomainen paikka napojen kautta kiertävien satelliittien vastaanottoon.

timoryyppö3_tpajukallio
Timo Ryyppö esittelemässä Lapin ilmatieteellisen tutkimuskeskuksen satelliittidatan vastaanottohuonetta.

Geostationaariset satelliitit ovat päivystäville meteorologille tärkeitä, koska niiden avulla voidaan seurata jatkuvasti sään kehitystä, vaikka ne katsovatkin hieman vinosti Suomea kohti ja reuna-alueet näkyvät vähän heikommin. Polaarisatelliiteista saadaan harvemmin, mutta tarkkaa tietoa juuri pohjoisilta alueilta. Tämän takia erityisesti pohjoismailla on yhteiset intressit. Satelliittien hyödyntämistä varten on kehitetty avoimeen lähdekoodiin perustuva yhteinen ohjelmisto, johon kukin maa voi koodata tarvitsemiaan lisäosia. Työkenttä on valtava ja haastava ja siksi tarvitaan kansainvälistä ja eri alat läpäisevää yhteistyötä.

Kaukokartoitustietojen yhdistäminen tuo uudenlaista tietoa

Satelliitit keräävät havaintoja, joita ei muulla tavalla ole mahdollista saada. Sään ennustamisen lisäksi satelliitit tuottavat tietoa myös muun muassa ilmanlaadusta, lumen määrästä ja peittävyydestä ja avaruussäästä. Samoin niiden avulla voidaan seurata esimerkiksi ilmastonmuutoksen etenemistä. ”Harvemmin tiedetty asia on kuitenkin se, että sääsatelliitteja voidaan hyödyntää myös pelastus- ja etsintätoimessa. Vuodesta 1982 lähtien satelliittien avulla on pelastettu 37 000 ihmishenkeä”, Kotro sanoo.

Ilmatieteen laitoksella sääsatelliittien tietoa käytetään sekä operatiivisessa toiminnassa että tutkimuksessa. Operatiivista käyttöä varten satelliittien mittaukset muutetaan kuviksi, joita meteorologit käyttävät sääpäivystyksessä. Kuvat välittyvät myös verkkosivujen kautta suurelle yleisölle ja ulkopuolisille asiakkaille. Satelliittikuvien avulla pystytään myös seuraamaan säämallien onnistumista. Esimerkiksi tieto pilvien korkeudesta saadaan laskettua, kun satelliittihavaintoja jatkokäsitellään ja niihin yhdistetään tietoa mm. säämalleista. Näiden laskennallisten satelliittituotteiden hyödyntäminen sääpalveluprosessissa kasvaa koko ajan.

Tulevaisuudessa satelliittien tuottamia tietoja yhdistellään yhä enemmän toisiinsa, sillä mittauksia voidaan hyödyntää monella eri alalla, esimerkiksi aurinkoenergian tuotannossa. ”Maailma on muuttunut ja mahdollisuudet on kasvaneet ICT-kapasiteetin kasvun myötä. Satelliitit tuottavat jatkuvasti massoittain big-dataa, jonka hyödyntäminen on oikeastaan vielä lapsen kengissä”, satelliittitutkijat pohtivat.