Satellitten Aeolus skal kortlægge Jordens vinde
ANALYSE: Ny satellit med dansk udstyr skal lukke et hul i vores viden om Jordens atmosfære – og dermed gøre vores vejrforudsigelser bedre.
satellit esa vinde rumfart rummet astronomi vejret vejrudsigter vind

Satellitten Aeolus har fået sit navn efter det romerske navn for vindenes gud, som grækerne kaldte Aiolos. Aiolos var søn af Poseidon. (Illustration: ESA)

Til trods for al vores moderne teknik har vi ikke altid data nok til at skabe en pålidelig vejrudsigt.

Eksempelvis skabte et uventet stormvejr i marts 2014 oversvømmelser i det nordlige Europa.

Efterfølgende satte meteorologerne sig naturligvis ned for at forstå, hvordan de kunne have overset et så stort stormvejr.

Forklaringen viste sig at være, at man simpelthen ikke havde kendt til vindhastighederne over Stillehavet ud for Sydamerikas kyst seks dage før stormen.

Som dr. Alain Dabas fra Frankrig forklarede til BBC: »Fejlen opstod over det centrale Stillehav i en højde på 11 kilometer. Der var en fejl i de vindhastigheder, vi byggede vore modeller på, og denne fejl gav så de forkerte vejrudsigter for Europa.«

Netop målinger af vinde er noget, vi stadig mangler – især over have og øde områder.

Det er det hul, som ESAs nye satellit Aeolus, der skal opsendes 21. august (udsat til 22. august, red.), vil søge at lukke.

Aeolus har i øvrigt to danske stjernekameraer, bygget af det erfarne danske firma Terma, med ombord - det kan du læse mere om i boksen under artiklen.

En vanskelig opgave

Den næsten 1,4 ton tunge satellit skal opsendes fra Kourou-rumcentret i Fransk Guyana i Sydamerika. Kourou kan bedst beskrives som det europæiske Cape Canaveral. Det er i dag en stor og moderne rumhavn med mange startramper. Det er herfra, den store Ariane-raket opsendes.

Aeolus skal ikke opsendes med en Ariane-raket, men med den noget mindre Vega-raket, som også er bygget i Europa.

Satellitten har fået navnet Aeolus efter det romerske navn for vindenes gud. Grækerne kaldte ham for Aiolos. Han er søn af havguden Poseidon og bor i øvrigt for sig selv i en grotte.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 40 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Aeolus-projektet blev godkendt allerede i 2002, og dengang havde ingen drømt om, at det skulle tage 16 år at bygge satellitten, hvilket svarer til en forsinkelse på godt 10 år.

Forsinkelsen skyldes de enorme tekniske problemer ved at bygge det instrument, som skal måle vindhastighederne.

Opgaven er at kunne måle vinde i højder fra 0 til 30 kilometer over både vand og land. Metoden er, at satellitten sender pulser af laserlys ned i atmosfæren.

En ganske lille del af laserlyset tilbagekastes til satellitten, som så kan analysere, hvorledes lyset er blevet påvirket af atmosfæren.

Aeolus-satellitten skal måle Jordens vinde. (Video: ESA)

En opgave for Aladin

Instrumentet har navnet Aladin, der står for Atmospheric Laser Doppler Instrument – et navn, der beskriver virkemåden.

Det, man især måler, er frekvensen af det tilbagekastede laserlys. Denne frekvens vil ikke være helt den samme, som laseren udsendte.

Ændringen af frekvensen vil afspejle, hvor hurtigt luftmolekylerne bevæger sig – med andre ord vindhastigheden.

Det er også muligt at skelne mellem vinde i forskellige højder. Afstanden til de øverste luftlag er mindre end afstanden til de nederste luftlag. Det betyder, at Aladin modtager det tilbagekastede lys fra de øverste luftlag først.

I alt skulle Aladin kunne måle vindhastigheder med en nøjagtighed på 1-2 meter i sekundet i 24 lag af atmosfæren under en højde på 30 kilometer.

satellit esa vinde rumfart rummet astronomi vejret vejrudsigter vind

Princippet i Aladin-laseren – her kaldt en Lidar, hvilket betyder, at den fungerer som en radar, bortset fra at den arbejder med lys frem for radiobølger. (Illustration: ESA)

Hvor svært kan det være?

Det var fra starten klart, at der var brug for ultraviolet lys. Lys med kort bølgelængde spredes nemlig langt bedre – og tilbagekastes derfor også bedre – af luftens molekyler end lys med lang bølgelængde. Det er derfor, himlen er blå, og solnedgange er røde.

Man kan godt forestille sig, at forskerne har sagt »Hvor svært kan det være?«, dengang man begyndte på projektet. Men det var før, man havde forsøgt at bygge en UV-laser, som kunne virke ude i rummet.

Nu findes der ikke gode UV-lasere, men man kendte et trick. I stedet for at bygge en laser, som direkte producerer UV-lys, så kan man bygge en infrarød laser og så sende laserlyset gennem en særlig krystal, der tredobler lysets frekvens og dermed gør bølgelængden tre gange mindre.

Så man valgte at bygge en infrarød laser, som producerer lys med en bølgelængde på 1.066 nanometer, sende det gennem krystallen og dermed få det ud med en tre gange mindre bølgelængde på 355 nanometer. Det er UV-lys lige af den bølgelængde, man har brug for.

Så svært var det

Det første problem var at finde lysdioder, som kunne holde til måned efter måned at kunne udsende pulser af laserlys. Man ønskede en laser, som 100 gange i sekundet kunne udsende en puls med en energi på 150 megajoule.

Så blev det problem løst, men straks dukkede det næste op: Laseren kunne ikke fungere i det tomme rum gennem længere tid.

Problemet var, at uden luft ville laseren gradvist ødelægge sin egen optik. Når laserlyset ramte spejle og linser, så blev de mørke, fordi forureningspartikler satte sig fast og nærmest blev omdannet til noget sort, kulstofholdigt sod.

Man ledte meget lang tid efter nye belægninger til at beskytte optikken, og hele fire belægninger måtte testes, før man fandt en, der kunne bruges. Det tog op mod ni måneder at fremstille og afprøve en ny belægning, og her er en vigtig grund til den lange forsinkelse af projektet.

Til sidst besluttede man også at udstyre instrumentet med en lille iltflaske, som konstant puster en ganske lille smule ilt gennem det optiske system. Ilten oxiderer og nedbryder den mørke belægning som laserlyset skaber.

Men nu er systemet så godt gennemprøvet, at man regner med, at Aeolus godt kan fungere flere år i rummet.

Lang vej endnu

Målet med Aeolus er ikke bare grundforskning, men også et forsøg på at gøre vejrudsigterne mere pålidelige. Her er der dog lang vej at gå.

Teknikken med at bruge lasere til vindmåling er så ny og har voldt så mange problemer, at man først skal se, at den fungerer, før man kan tage stilling til, om der skal investeres i en mere systematisk overvågning af Jordens vinde.

Det er nemlig et projekt, der vil kræve mange satellitter.

Umiddelbart er der et problem – nemlig at denne type satellitter skal flyve i meget lav højde for at få et tilstrækkeligt stærkt retursignal fra atmosfæren.

Aeolus skal sendes ind i en lav bane kun 320 kilometer over Jorden, men alligevel skal Aladin bruge et spejl med en diameter på 1,5 meter for at opfange det tilbagekastede laserlys. Det betyder, at bare dette ene instrument vejer 450 kilo, hvilket er temmelig meget.

Desuden skal Aeolus medføre omkring 200 kilo styrebrændstof for at kunne overleve. Luftmodstanden i en højde på bare 320 kilometer er nemlig så stor, at en satellit overladt til sig selv kun har en levetid på nogle måneder, før den brænder op.

satellit esa vinde rumfart rummet astronomi vejret vejrudsigter vind

Aeolus sender sine data ned til en modtagestation i Svalbard. Herfra sendes de videre til Tromsø for videre behandling, og endelig sender Tromsø så data til forskningscentrene i Italien og England. (Illustration: ESA)

Får vi nu bedre vejrudsigter?

Lederen af det Europæiske Center for mellemlange vejrudsigter (Medium Range Weather Forecastas) Dr. Florence Rabier, vurderer betydningen af Aeolus således i en BBC-artikel:

»Manglen på observationer af vindsystemer er er noget af det vigtigste at få udbedret for at kunne forbedre numeriske vejrforudsigelser. Aladin-instrumentet på Aeolus vil være det første instrument, der giver os profiler af vindsystemerne. Vi har meget store forventninger til kvaliteten af målingerne, og vi forventer en kvalitetsforbedring i forudsigelserne på 2 til 4 procent uden for troperne og op til 15 procent i troperne. Aeolus baner vejen for signifikante forbedringer for vejrudsigter.«

Men der er også andre perspektiver.

Aladin måler også aerosoler, altså små luftbårne partikler. Det betyder at man kan spore og følge forurening – noget som efterhånden er blevet et stort problem i mange byer. Desuden er bedre vinddata en enorm fordel for vindmølleindustrien.

Vi må bare håbe, det hele virker.

Vores levende planet

En af rumforskningens store opgaver er blevet at forstå vores blå Jord. I virkeligheden er Aeolus bare en af mange satellitter i ESAs 'Living Planet Programme'.

Den første satellit i programmet var GOCE, der blev opsendt i 2009 med det formål at give en meget præcis kortlægning af Jordens tyngdefelt. Den blev et par måneder senere efterfulgt af SMOS, som måler fugtigheden af Jorden og havenes saltindhold – vigtige data for klimamodeller.

I 2010 kom så Cryosat, der nøje følger, hvordan isdækket i både Arktis og Antarktis ændrer sig.

Danmark fik et stort ønske opfyldt med opsendelsen af de tre SWARM-satellitter i 2013. De følger ændringerne i Jordens magnetfelt, som for tiden ser ud til at svækkes.

Netop Jordens magnetfelt er et område, hvor danske forskere er førende – ikke mindst på grund af vores egen Ørsted-satellit.

Nu kommer så Aeolus, der skal kortlægge Jordens vinde. Det er grundforskning, som måske baner vej for en ny type vejrsatellitter.

Men Aeolus afslutter ikke Living Planet-Programmet.

Der kan nævnes Biomass, som skal følge, hvordan Jordens skove klarer klimaændringerne og FLEX, der skal give en præcis kortlægning af den betydning, planternes fotosyntese har både for kulstof- og vandkredsløbet.

Andre satellitter er under planlægning.

I dag bruger rumfarten flere ressourcer på at se indad mod Jorden end på at se udad mod planeterne og universet.

Det havde man ikke forestillet sig ved rumalderens begyndelse.

Opdatering: Opsendelsen af satellitten fandt sted sted 22. august kl. 23.20. Se, hvordan opsendelsen forløb, her:

Danske stjernekameraer er med ombord på Aeolus

Den ultraviolette laser på Aeolus ville ikke være til megen nytte, hvis ikke man præcist ved, i hvilken retning instrumentet peger.

Den opgave klarer et stjernekamera, bygget af det danske firma Terma. For en sikkerheds skyld er der to sådanne stjernekameraer ombord på Aeolus.

Et stjernekamera er grundlæggende et digitalt kamera, som kan fotografere stjernehimlen. Kameraet har adgang til et stjernekatalog med positionerne af tusinder af stjerner, som er lagret i en computer.

Så er opgaven bare at sammenligne kameraets billeder af stjernehimlen med kataloget og på den måde at finde ud af, i hvilken retning kameraet – og dermed Aeolus – er orienteret i sin bane om Jorden.

Det sker med en nøjagtighed på 1 buesekund eller 1/3600 grad.  Hvis vi kunne se så skarpt, ville vi kunne se et lille insekt på under en millimeter kravle rundt på et træ 100 meter borte.

Termas instrumenter har været vidt omkring

Terma har allerede god erfaring i at bygge stjernekameraer. Firmaet har tidligere leveret et kamera til satellitten Cryosat, der overvåger isdækket både i Arktis og Antarktis.

Men Termas instrumenter har været vidt omkring i Solsystemet.

Aeolus satellit Terma stjernekameraer

Her ses de to danske stjernekameraer på Aeolus-satellitten under klargøringen (øverst på billedet - det er dem, der ligner baglygter). (Foto: ESA)

Således har firmaet bygget elektronisk udstyr, der sørgede for at fordele energien fra solpanelerne til instrumenterne på rumsonderne Rosetta, Mars Express og Venus Express.

Terma har prøvet lidt af hvert

Nogle gange går det galt, som da rumsonden Schiaparelli blev knust ved landingen på Mars. Den medførte elektronik fra Terma, som det havde taget flere år at udvikle og bygge.

Til gengæld har Terma også haft et vækkeur om bord på rumsonden Huygens, der i 2004 landede på Saturns store måne Titan.

For at spare på batterierne skulle Huygens først vækkes lige før landingen – og det efter en syv år lang rejse.

Men Termas vækkeur virkede, og i dag befinder det sig sammen med sonden på overfalden af Titan – nok nu i en temmelig dybfrossen tilstand.

Så med den erfaring er der al mulig grund til at regne med, at stjernekameraerne også vil hjælpe Aeolus godt gennem sine opgaver.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.