Geodezja jakieś pół wieku temu opuściła Ziemię i zajęła się nią z Kosmosu, a dokładnie – ze sztucznych satelitów. Tak powstała geodezja satelitarna. Dzisiaj korzysta z niej każdy, kto ma telefon albo nawigację satelitarną. Każdy, kto chce na przykład określić swą lokalizację w terenie albo znaleźć pożądany punkt gdzieś w przestrzeni, pragnie, aby dane, które podaje mu jego urządzenie, były jak najbardziej dokładne. 

Oswajanie błędu 

Chociaż specjaliści od geodezji pracują nad tym, aby dane satelitarne były jak najdokładniejsze, to ciągle jeszcze pełnej dokładności nie osiągnęli. Dlaczego?

– Dlatego, że między satelitą lecącym ok. 20 tys. km nad Ziemią a odbiornikiem na Ziemi znajduje się troposfera, najbliższa jej powierzchni warstwa atmosfery. W troposferze zachodzą wszystkie zjawiska pogodowe, czyli burze i wyładowania atmosferyczne, deszcz, śnieg, zachmurzenie itd. – wyjaśnia dr inż. Stępniak.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością 300 tys. km na sekundę. W troposferze te zjawiska wywierają na fale tak wielki wpływ, że je hamują, odchylają i zakłócają. Całe rzesze naukowców pracują nad coraz doskonalszym programami, które wyznaczają i niwelują wpływ tych zakłóceń na dostarczane informacje. W geodezyjnej praktyce mówi się często o błędzie spowodowanym przez refrakcję troposferyczną. Błąd ten wynosi ok. 2,4 metra – tyle rzeczywista pozycja może się więc różnić od tej wyznaczonej na podstawie danych z satelitów. Niby mało, ale w wielu dziedzinach życia to jeszcze za dużo, np. we wszystkich inżynierskich zastosowaniach geodezji, w których pozycja musi być wyznaczona z dokładnością centymetrową. 

Wszystkie czynniki, które zakłócają przepływ fal elektromagnetycznych, powodują tak zwane szumy. Jednym z tych czynników jest para wodna. Im więcej pary w troposferze, tym opóźnienie w przepływie fal większe. Naukowcy starają się więc usilnie wyznaczyć taki model matematyczny, który tę zależność opisze jak najdokładniej. Dla nich jednak ten spowodowany parą szum to… odpad. 

Szum, czyli surowiec wtórny

Dr inż. Katarzyna Stępniak zauważyła, że te „odpadowe” informacje o zawartości pary wodnej w atmosferze można jeszcze spożytkować. Jak? Do badań klimatu w długich okresach i do prognoz pogody w krótkich. Wszyscy przecież wiedzą, że zawartość pary jest z klimatem i pogodą ściśle związana. 

Zjawiska pogodowe rejestrują stacje meteorologiczne, ale zawartość pary wodnej w troposferze można wyznaczyć również przy użyciu stacji geodezyjnych, które pracują nieustannie od ponad 30 lat. 

– Informacje te można wykorzystać do badania klimatu i prognozowania pogody i to nie tylko w Polsce, ale na całej Ziemi – zauważa dr inż. Stępniak. – Już teraz na Ziemi działa kilka tysięcy geodezyjnych stacji permanentnych, tworzących spójny system. W tym systemie jest też Polska ze swymi 107 państwowymi stacjami sieci ASG-EUPOS. Wszystkie badania klimatu i pogody są tym bardziej precyzyjne, im więcej jest punktów pomiarowych. W tej chwili stacji w całej Polsce jest mało, ale sto razy więcej też by nie było za dużo. Co stoi na przeszkodzie, aby ich było więcej? Koszty. Wyposażenie jednej stacji w urządzenia odbierające sygnał to koszt od kilkudziesięciu do 100 tys. zł – tłumaczy.

Jest na to rada. W handlu są już dostępne małe odbiorniki GNSS, dotychczasowo wykorzystywane w nawigacji w cenie od ok. 100 dolarów. Taki odbiornik po połączeniu z komputerem może mu przekazywać satelitarne dane, a komputer przekaże je dalej do centrum, które je przetworzy i w dalszej kolejności opracuje np. prognozę pogody. Im więcej tych odbiorników – tym lepiej. Dlaczego? Bo dla każdej jego lokalizacji będziemy mieć wskazanie, jaka jest zwartość pary w atmosferze.

Geodeci są zaskoczeni 

Dr inż. Katarzyna Stępniak nie poprzestała na tym odkryciu. – Pracuję nad dostosowaniem algorytmów oprogramowania, które umożliwią wyznaczenie precyzyjnej informacji o zawartości pary wodnej na podstawie obserwacji z odbiorników niskokosztowych – mówi. Ale to nie wszystko: zajmuje się także przygotowaniem programu do badania zmian klimatu. – W tym celu analizuję zawartość pary wodnej w troposferze zarówno nad Polską, jak i w skali globalnej w ostatnich 30 latach z częstotliwością pomiarów co 15 minut – tłumaczy. Jak można pomiary robić wstecz? – Bardzo łatwo. Ponad 30 lat temu Geodezyjne Stacje Permanentne zaczęły gromadzić obserwacje satelitarne i są one przechowywane do dzisiaj na specjalnych serwerach. Wystarczy do nich sięgnąć – wyjaśnia dr Stępniak. Do tego „sięgania” warto jednak wykorzystać specjalny program – człowiekowi nie wystarczyłoby życia, gdyby miał przeanalizować wszystkie dane.

Na opracowanie sposobu wykorzystania tanich odbiorników sygnałów satelitarnych do badania pogody i klimatu dr inż. Stępniak otrzymała niedawno Naukowy Grant Rektora. Grant przyznano na rok, ale dr inż. Stępniak wie, że swych badań nie zakończy tak szybko. Trwają one już około dwóch lata, a badaczka może się w tej materii pochwalić pierwszym poważnym sukcesem. Niedawno specjalistyczne naukowe czasopismo „Measurement” opublikowało jej artykuł naukowy o tym, co robi i co już udało się jej osiągnąć. Otrzymała za niego 200 pkt. Publikacja zaowocowała także zaproszeniem na międzynarodowy kongres naukowy Amerykańskiej Unii Geofizycznej, który w grudniu (11–16.12.2022 r.) odbył się w Chicago. Tutaj dr inż. Stępniak ponownie zaskoczyła wielu geodetów satelitarnych tym, że to co oni uważali dotąd za odpad, ona umie wykorzystać. 

Lech Kryszałowicz

Dr inż. Katarzyna Stępniak pracuje na stanowisku adiunkta w Katedrze Geodezji UWM. Uczestniczyła w ośmiu międzynarodowych stażach i była wykonawcą lub kierownikiem w 12 projektach badawczych finansowanych przez NCN, NCBiR i ESA. Jej zainteresowania naukowe związane są z szeroko rozumianą geodezją satelitarną.