High latitude optical satellite communications – cloud coverage in Norway

Sammendrag Trådløs satellittkommunikasjon har tradisjonelt benyttet modulerte radiobølger for overføring av informasjon til, fra og mellom satellitter. Optisk kommunikasjon benytter lignende prinsipper med elektromagnetiske bølger (fotoner) med mye høyere frekvens (THz). Den økte frekvensen fører til at hydrometeorer i form av skyer og tåke demper de optiske signalene kraftig. I denne studien undersøker vi graden av skydekke i norske nordområder for å estimere tilgjengeligheten for optiske bakkestasjoner som kommuniserer med satellitter. Vi har benyttet tolv måneder med skybilder tatt fra værobservasjonssatellitter i 2014, og behandlet dem for å trekke ut prosentdelen av bilder som har skydekke mindre (eller større) enn en terskel. Resultatene presenteres i form av numeriske kart for deler av Norge nord for 620N inkludert Svalbard og havområdet rundt. Manuelle skyobservasjoner fra samme tidsperiode er benyttet for å validere resultatene. I tillegg har vi benyttet numeriske værmodeller fra Meteorologisk institutt (AROME MEPS og Arctic) som dekker hele det norske området i 2018. Det ble funnet relativt store forskjeller mellom manuelle og satellittbaserte observasjoner, spesielt i tilfeller med lite skyer. Det understrekes at rutenettet for bildene (1,6/2,5 km grid, avhengig av datasett) ikke er direkte sammenlignbart med de manuelle observasjonene i form av skydekke for synlig (halvkuleformet) himmel. Satellittdataene og modelldataene er også fra to forskjellige år. De numeriske dataene ble benyttet til å estimere i hvor stor grad to bakkestasjoner forbedrer sannsynligheten for skyfri himmel. Resultatene viser generelt mindre skydekke over land og øyer som Svalbard og Grønland sammenlignet med havområdene. Satellittbildene fra 2014 hadde maksimalt 59% skyfrie bilder. Lokasjonene for potensielle bakkestasjoner i Norge hadde maksimalt 33% skyfrie bilder. Verdier gitt av AROME-modellene for 2018 er mye lavere enn satellittdata, med størst forskjell på øylokasjoner. Maksimal skyfri andel var på 25% i Sør-Norge. Bruk av to bakkestasjoner forbedrer tilgjengeligheten noe. Kombinasjon av to lokasjoner økte sannsynligheten for at minst en stasjon har skyfrie forhold i 39–54% av tiden. Dette er vesentlig mindre enn ønsket dersom målet er å oppnå optisk tilgang til satellitter i løpet av alle passeringer for en lav jordbane eller kontinuerlig kommunikasjon med geostasjonære satellitter. En kombinasjon av mer enn to stasjoner, fortrinnsvis også sammen med radiokommunikasjon, er ventet å forbedre tilgjengeligheten i nordområdene. Samarbeid med optiske bakkestasjoner i andre land kan være nødvendig for å oppnå høy tilgjengelighet og derved nedlasting av observasjonsdata for alle satellittpasseringer.