Badanie obserwacji satelitarnych – jeden sygnał, wiele zastosowań

• Głównym obszarem badań Adama Cegły jest tomografia atmosferyczna
• Praca doktorska Adama ma pomóc zbadać niskie partie atmosfery

Adam zainteresował się geodezją jeszcze w liceum, kiedy za sprawą inspirującej nauczycielki polubił geografię i nauki o Ziemi. Potem początkowo studiował geodezję na Politechnice Wrocławskiej, a dziś w Szkole Doktorskiej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu robi doktorat z trójwymiarowych zintegrowanych obserwacji atmosfery z wykorzystaniem naziemnych i satelitarnych stacji GNSS. 

– W trakcie studiów stwierdziłem, że perspektywy nauki na UPWr są lepsze jeżeli chodzi o geodezję, dlatego też się przeniosłem. Tu na uczelni trafiłem na prof. Rohma, który jest moim promotorem. To on mi zaproponował temat tomografii atmosferycznej. Mamy za sobą sporo wspólnych projektów jeszcze z czasów moich studiów magisterskich. Badaliśmy na przykład razem czy za pomocą refrakcji da się wykazać, że w powietrzu unosi się pył wulkaniczny po erupcji. Moja praca zdobyła trzecie miejsce w ogólnopolskim konkursie na najlepsze magisterki w dziedzinie geodezja i kartografia organizowanym przez Stowarzyszenie Geodetów Polskich. Na jej podstawie opublikowaliśmy artykuł i profesor zaproponował mi doktorat, jako rozszerzenie naszych badań – mówi doktorant Adam Cegła, tłumacząc, że ich praca dotycząca mierzenia stężenia pyłu wulkanicznego polegała na tym, że z odbiorników GNSS rozmieszczonych dookoła wulkanu Sakurajima w Japonii przeanalizowali wartości opóźnień sygnału, które odbierały z satelitów i na tej podstawie wywnioskowali w jakim kierunku rozchodziła się chmura.

Są to badania, które w przyszłości mogą pomóc uniknąć wielomiliardowych strat. Okazuje się na przykład, że w przypadku wybuchu wulkanu Eyjafjallajökull na Islandii wcale nie trzeba było zamykać ruchu lotniczego, bo stężenie pyłu nad Europą było niskie i nie zagrażało silnikom samolotów.  

Tomografia nie tylko w medycynie

Obecne badania Adama dotyczą tomografii atmosfery, czyli analizy sygnału przechodzącego przez atmosferę. Każdy sygnał wysłany z jednego satelity do drugiego albo z satelity do odbiornika naziemnego ulega zakłóceniom. Te zakłócenia, zależne od ciśnienia i temperatury powietrza, można badać i analizować. Na ich podstawie oblicza się współczynnik refrakcji, czyli załamania promienia. W rezultacie można obliczyć całkowite opóźnienie sygnału, czyli różnicę pomiędzy ścieżką jaką ten sygnał pokonał w linii prostej gdyby biegł bez zaburzeń a tą, którą podróżował. Na podstawie czynnika refrakcji można oszacować m.in. różne czynniki atmosferyczne i wspomóc prognozowanie pogody. 

– Zaletą tej metody jest to, że jest o wiele tańsza od standardowego rozwiązania. Do prognozowania pogody wykorzystuje się zwykle radiosondaże i pomiary z balonów meteorologicznych, a są to bardzo drogie metody. Przeznaczyć na nie trzeba kwoty rzędu od kilku do kilkuset tysięcy złotych. Do tego trzeba włożyć dużo czasu w planowanie kampanii pomiarowej. Natomiast w przypadku tomografii atmosferycznej wykorzystujemy to, co już istnieje, czyli wszystkie odbiorniki GNSS znajdujące się na Ziemi – tłumaczy doktorant, dodając, że żeby wykonać badania potrzebują jedynie komputera i oprogramowania, które będzie w stanie wykonać właściwe obliczenia. Zyskują dzięki tej metodzie gęstą siatkę danych. Balony meteorologiczne są rozmieszczone w dużej odległości. Niskokosztowe odbiorniki GNSS mogą zaś być rozmieszczone w dowolnej odległości – nawet co 2-3 km.

Im bliżej Ziemi, tym mniej wiemy

W Instytucie Geodezji i Geoinformatyki na UPWr stworzono już program badający współczynnik refrakcji o nazwie TOMO. Jest on wykorzystywany przez różne instytucje do badań naukowych. Zastosowane w modelu rozwiązanie jest jednak mało dokładne w najniższych partiach troposfery, na wysokościach 1-2 km. Ta warstwa atmosferyczna jest najbardziej zmienna i potrzebuje rozwiązania, które pomoże ją lepiej analizować. Swoją pracą naukową, Adam Cegła stara się dołożyć do istniejących rozwiązań pomiary, które pomogą zbadać te rejony atmosfery. 

– Takie dane może nam dostarczyć np. badanie radiookultacji, czyli w uproszczeniu badanie sygnału biegnącego z jednego satelity na wysokiej orbicie do drugiego satelity na niskiej orbicie, który ulega załamaniu wskutek działania wielu czynników. Gdy drugi satelita będzie się znajdował bardzo nisko nad powierzchnią Ziemi, wtedy sygnał będzie zakrzywiony, a my możemy dokonać jego analizy. Jej wyniki pozwolą nam wysnuć wnioski o wartościach refrakcji na niewielkich wysokościach nad powierzchnią Ziemi, a tym samym pośrednio podawać informacje o temperaturze oraz ciśnieniu na drodze sygnału. Podobne założenia były już realizowane przez inne zespoły badawcze, ale z tego co wiem, to nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takiego modelu, który połączy ze sobą dwa rodzaje obserwacji, czyli te biegnące klasycznie z satelity do odbiornika na Ziemi, jak i te biegnące pomiędzy dwoma satelitami – podkreśla Adam. Łącząc oba rodzaje obserwacji w jeden model, zgodnie z oczekiwaniami uda się uzyskać bardziej precyzyjny i odporny na różnego rodzaju zakłócenia, takie jak nagłe zmiany ciśnienia czy burze, model troposfery. 

Doktorant Szkoły Doktorskiej UPWr współpracuje też z dr. Müllerem z Politechniki Federalnej w Zurychu, który wspomaga go w badaniach, udostępniając mu swoją wersję skryptu do obliczeń modyfikacji sygnału i wiedzę teoretyczną dotyczącą propagacji sygnału w atmosferze. W przyszłym roku Adam ma zamiar ponownie wybrać się w czasie wakacji do Zurychu, aby realizować plan badawczy.

Adam Cegła pracuje też w projekcie OPUS Narodowego Centrum Nauki, z którego finansowany jest również jego doktorat i zatrudniony jest przy projekcie AZON. Zajmuje się tam podobnym badaniem, polegającym na obliczaniu współczynników refrakcji dla Polski na podstawie sygnałów wysyłanych z satelitów do odbiorników naziemnych. Na podstawie tych danych możliwe jest na przykład wygenerowanie map refrakcji. Generowane mapy przysłużą się zarówno studentom, jak i instytucjom meteorologicznym.

Prywatnie Adam lubi podróżować i ma nadzieję, że podczas doktoratu będzie miał jeszcze okazję wrócić do badań dotyczących pyłu wulkanicznego, tym razem poza uczelnią, na przykład na Tajwanie, gdzie również prowadzone są badania tego typu. Geodezja jest jednak dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, dlatego Adam spytany o swoje plany na przyszłość wciąż balansuje pomiędzy wyborem pracy w zawodzie a karierą naukową. Może uda mu się je połączyć?

is