سری ماهوارههای GOES مهمترین سامانه هواشناسی زمینثابت ایالات متحده آمریکا و در واقع کل نیمکره غربی زمین است. این ماهوارهها از سال ۱۹۷۵ توسط سازمان ملی اقیانوسی و جوی آمریکا (NOAA) و با همکاری ناسا ساخته و اداره میشوند و بدون هیچ وقفهای بر فراز قاره آمریکا، اقیانوس اطلس، اقیانوس آرام، آمریکای مرکزی و جنوبی، کانادا، کارائیب و بخشهایی از آفریقا و اروپا نظارت دارند.
در حال حاضر چهار ماهواره از نسل جدید GOES-R Series در مدار فعال هستند. GOES-16 به عنوان GOES-East در موقعیت ۷۵ درجه غربی بالای اقیانوس اطلس نزدیک سواحل شرقی آمریکا قرار دارد و GOES-18 به عنوان GOES-West در موقعیت ۱۳۷ درجه غربی بالای شرق اقیانوس آرام ایستاده است. GOES-19 نیز به تازگی به مدار رسیده و به عنوان ماهواره ذخیره در موقعیت ۱۰۵ درجه غربی مستقر شده تا در صورت بروز مشکل برای یکی از دو ماهواره اصلی، فوراً جای آن را بگیرد. این چهار ماهواره با هم پوشش کامل و بدون شکاف از سواحل غربی آفریقا تا جزایر هاوایی و از قطب شمال تا قطب جنوب را فراهم میکنند. ماهواره GOES آمریکا هر ده دقیقه یک بار تصویر کامل از کل این منطقه وسیع را به زمین میفرستند.
ماهواره GOES چیست؟
ماهواره GOES یک ماهواره هواشناسی زمینثابت است که در ارتفاع دقیق ۳۵٬۷۸۶ کیلومتری بالای خط استوا قرار دارد و با همان سرعت چرخش زمین حرکت میکند. به همین دلیل همیشه دقیقاً بالای یک نقطه ثابت روی زمین میماند و میتواند به طور مداوم یک منطقه بسیار وسیع را زیر نظر داشته باشد. هر ماهواره حدود پنج هزار و ششصد کیلوگرم وزن دارد، طول پنلهای خورشیدی بازشده آن نزدیک به بیست و هفت متر است و با توان بیش از پنج کیلووات کار میکند. عمر طراحی هر کدام پانزده سال است که ده سال آن عملیاتی و پنج سال ذخیره در مدار در نظر گرفته شده است.
از زمان پرتاب GOES-16 در نوامبر ۲۰۱۶، کیفیت تصاویر از رزولوشن چهار کیلومتر و فواصل پانزده دقیقهای به رزولوشن نیم کیلومتر در باند مرئی و فواصل ده دقیقهای ارتقا یافت و تعداد باندهای طیفی از پنج به شانزده باند افزایش پیدا کرد. این پیشرفت بزرگ باعث شد که سری GOES-R به عنوان بزرگترین جهش در تاریخ هواشناسی ماهوارهای شناخته شود.
موقعیت مدار زمینثابت و مزیتهای آن
موقعیت زمینثابت در ۳۵٬۷۸۶ کیلومتری بالای خط استوا این امکان را میدهد که ماهواره همیشه یک منطقه ثابت را ببیند. GOES-East در طول جغرافیایی ۷۵ درجه غربی (بالای سواحل شرقی آمریکا) و GOES-West در ۱۳۷ درجه غربی (بالای اقیانوس آرام) قرار دارند. فاصله این دو موقعیت حدود ۶۲ درجه است که پوشش کامل آمریکا، کانادا، آمریکای مرکزی، کارائیب و بخش بزرگی از اقیانوس آرام و اطلس را فراهم میکند.
مزایای اصلی مدار زمینثابت عبارتند از:
- مشاهده مداوم یک منطقه بدون وقفه
- امکان تصویربرداری با فواصل زمانی بسیار کوتاه (تا ۳۰ ثانیه)
- ردیابی لحظهای حرکت ابرها، طوفانها و آتشسوزیها
- ارسال داده به صورت زنده به مراکز پیشبینی بدون تأخیر
- پوشش همزمان چندین پدیده جوی در مقیاس قارهای
نسلهای مختلف ماهوارههای سری GOES
- نسل اول (GOES-1 تا GOES-7): ۱۹۷۵–۱۹۹۴ – تصویربرداری هر ۳۰ دقیقه، ۴ باند
- نسل دوم (GOES-8 تا GOES-12): ۱۹۹۴–۲۰۱۰ – اضافه شدن باند آب، تصویربرداری هر ۱۵ دقیقه
- نسل سوم (GOES-13 تا GOES-15): ۲۰۰۶–۲۰۲۰ – بهبود کیفیت، اضافه شدن باند ۱۳٫۳ میکرومتر
- نسل چهارم – سری GOES-R (GOES-16 تا GOES-19): ۲۰۱۶–۲۰۲۵ – ۱۶ باند، رزولوشن ۰٫۵ کیلومتر، تصویر هر ۱۰ دقیقه
- نسل پنجم – در حال طراحی (GOES-U و بعد): برنامهریزی برای پرتاب تا ۲۰۳۶
تاکنون پنج نسل اصلی از این سری ساخته شده است. نسل اول از GOES-1 تا GOES-7 بین سالهای ۱۹۷۵ تا ۱۹۹۴ فعال بودند و تصویربرداری هر سی دقیقه با چهار باند طیفی انجام میدادند. نسل دوم از GOES-8 تا GOES-12 بین سالهای ۱۹۹۴ تا ۲۰۱۰ کار کردند و باند بخار آب اضافه شد و تصویربرداری به هر پانزده دقیقه رسید. نسل سوم شامل GOES-13 تا GOES-15 بود که از ۲۰۰۶ تا ۲۰۲۰ فعال بودند و کیفیت تصویر بهتر شد و باند ۱۳٫۳ میکرومتر اضافه گردید.
نسل چهارم ماهواره GOES آمریکا یعنی سری GOES-R از سال ۲۰۱۶ آغاز شد. GOES-16 در نوامبر ۲۰۱۶، GOES-17 در مارس ۲۰۱۸، GOES-18 در مارس ۲۰۲۲ و GOES-19 در آوریل ۲۰۲۴ پرتاب شدند. این نسل با شانزده باند، رزولوشن نیم کیلومتر و تصویربرداری هر ده دقیقه استانداردهای جدیدی تعریف کرد. نسل پنجم نیز در حال طراحی است و اولین پرتاب آن برای سالهای آینده برنامهریزی شده است.
ابزارهای علمی اصلی در ماهواره GOES
- Advanced Baseline Imager (ABI) – حسگر اصلی تصویربرداری
- Geostationary Lightning Mapper (GLM) – پایش رعدوبرق
- Solar Ultraviolet Imager (SUVI) – تصویربرداری از خورشید
- Extreme Ultraviolet and X-ray Irradiance Sensors (EXIS) – اندازهگیری تشعشعات خورشیدی
- Space Environment In-Situ Suite (SEISS) – پایش ذرات پرانرژی
- Magnetometer (MAG) – اندازهگیری میدان مغناطیسی زمین
هر ماهواره از سری GOES-R شش ابزار علمی پیشرفته دارد. مهمترین آنها Advanced Baseline Imager یا ABI است که حسگر اصلی تصویربرداری چندطیفی به شمار میرود. ابزار دوم Geostationary Lightning Mapper یا GLM است که نقشهبردار رعدوبرق زمینثابت است. ابزار سوم Solar Ultraviolet Imager یا SUVI است که از خورشید در باند فرابنفش شدید تصویربرداری میکند. ابزار چهارم Extreme Ultraviolet and X-ray Irradiance Sensors یا EXIS است که شدت تشعشعات خورشیدی را اندازهگیری میکند. ابزار پنجم Space Environment In-Situ Suite یا SEISS است که ذرات پرانرژی محیط فضا را بررسی میکند و در نهایت Magnetometer یا MAG میدان مغناطیسی زمین را اندازهگیری میکند.
حسگر ABI و قابلیتهای تصویربرداری
حسگر ABI قلب تپنده ماهوارههای جدید GOES است. این حسگر در شانزده باند طیفی شامل دو باند مرئی، چهار باند نزدیک مادون قرمز و ده باند مادون قرمز کار میکند. رزولوشن آن در باند مرئی نیم کیلومتر، در باندهای نزدیک مادون قرمز یک کیلومتر و در باندهای مادون قرمز دو کیلومتر است.
این حسگر میتواند تصویر کامل نیمکره را هر ده دقیقه، تصویر قاره آمریکا را هر پنج دقیقه و تصویر دو ناحیه کوچک هزار در هزار کیلومتری را هر سی ثانیه بگیرد. با این حسگر تشخیص مه، یخ روی ابرها، خاکستر آتشفشان، گرد و غبار صحرایی و حتی ابرهای نازک سیروس که در نسلهای قبلی دیده نمیشدند به راحتی ممکن شده است. دمای سطح دریا و ابرها نیز با دقت یکدهم کلوین اندازهگیری میشود.
ابزار GLM و پایش رعدوبرق
GLM اولین و تنها ابزار پایش رعدوبرق از مدار زمینثابت در جهان است. این ابزار با دوربینی بسیار سریع که پانصد فریم در ثانیه ثبت میکند تمام رعدوبرقهای داخل ابری، ابری-زمینی و ابری-هوایی را در کل نیمکره غربی ثبت میکند. ابزار GLM معمولاً پنج تا بیست دقیقه زودتر از شروع طوفان شدید هشدار میدهد. افزایش ناگهانی تعداد رعدوبرق نشانه شدتگیری طوفان است و GLM این را به خوبی نشان میدهد. مسیر طوفانهای سوپرسل و احتمال تشکیل گردباد نیز با دقت بالا پیشبینی میشود. از سال ۲۰۱۷ تا کنون این ابزار بیش از بیست و پنج میلیارد رعدوبرق را ثبت کرده است.
رصد ابرها و ساختار سیستمهای جوی
با ترکیب باندهای مختلف ABI ساختار سهبعدی ابرها با جزئیاتی بیسابقه دیده میشود. باند ۱٫۶ میکرومتر برف را از ابر جدا میکند، باند ۳٫۹ میکرومتر آتشسوزی و مه را حتی در شب نشان میدهد، باند ۷٫۳ میکرومتر بخار آب در لایههای پایین جو را مشخص میکند و باند ۱۳٫۳ میکرومتر ابرهای بسیار سرد که نشانه طوفان شدید هستند را تشخیص میدهد. تصاویر ترکیبی RGB مانند Day Cloud Phase، Fire Temperature و Air Mass به هواشناسان کمک میکند جبهههای سرد، جریان جت، موجهای کوتاه و حتی احتمال تشکیل گردباد را به سرعت تشخیص دهند.
بررسی دقت تصاویر GOES
دقت تصاویر سری GOES-R بسیار بالاست. دقت مکانی در باند مرئی نیم کیلومتر و در باندهای مادون قرمز یک تا دو کیلومتر است. دقت زمانی برای نیمکره هر ده دقیقه، برای قاره آمریکا هر پنج دقیقه و برای مناطق خاص هر سی ثانیه است. دقت دمایی در باندهای مادون قرمز یکدهم کلوین و دقت مکانیابی رعدوبرق کمتر از پنج کیلومتر است. در مقایسه با نسل قبلی رزولوشن چهار برابر، سرعت پنج برابر و تعداد باندهای طیفی سه برابر بهتر شده است.
کاربرد ماهواره GOES در پیشبینی طوفان و آتشسوزی
ماهواره GOES آمریکا در پیشبینی طوفانهای گرمسیری نقش حیاتی دارد. چشم طوفان و دیواره آن به صورت لحظهای ردیابی میشود و افزایش ناگهانی قدرت طوفان زودتر تشخیص داده میشود. مسیر طوفان نیز با دقت بسیار بالاتری پیشبینی میگردد. در آتشسوزیهای جنگلی باند ۳٫۹ میکرومتر آتش را حتی در شب نشان میدهد و دمای نقطه داغ تا دو هزار کلوین اندازهگیری میشود. گسترش دود تا هزاران کیلومتر ردیابی میشود و این اطلاعات به مدیریت منابع آتشنشانی کمک شایانی میکند.
بررسی حسگر SUVI و تحقیقات خورشیدی
SUVI در شش باند فرابنفش شدید از خورشید تصویربرداری میکند. فورانهای تاج خورشیدی و itemprop حفرههای تاجی را به خوبی نشان میدهد و طوفانهای ژئومغناطیسی مانند طوفان کارینگتون را یک تا سه روز زودتر پیشبینی میکند. در چرخه خورشیدی فعلی این ابزار صدها فوران بزرگ را ثبت کرده که به حفاظت از شبکه برق و ماهوارهها کمک کرده است.
سامانههای ارتباطی و انتقال داده
ماهواره GOES دادهها را از طریق باند L با سرعت سی مگابیت بر ثانیه به صورت مستقیم پخش میکند. ایستگاههای کوچک زمینی نیز میتوانند دادهها را دریافت کنند و تمام اطلاعات از طریق سرویسهای ابری آمازون، گوگل و مایکروسافت به صورت رایگان در دسترس همه قرار دارد.
تفاوتهای ماهواره GOES شرقی و GOES غربی
GOES-East پوشش اصلی آمریکا، اقیانوس اطلس، کارائیب و آمازون را دارد و در مواقع طوفان بزرگ به حالت اسکن سریع میرود و هر سی ثانیه تصویر میفرستد. GOES-West پوشش اقیانوس آرام، آلاسکا، هاوایی و غرب کانادا را بر عهده دارد و معمولاً در حالت عادی باقی میماند. ماهواره ذخیره در موقعیت ۱۰۵ درجه غربی آماده است تا در صورت نیاز فوراً جایگزین یکی از دو ماهواره اصلی شود.
