Ziemia online

7 marca 2017 roku z portu kosmicznego w Gujanie Francuskiej wystartowała rakieta z satelitą noszącym nazwę Sentinel-2 (http://pcformat.pl/u/2915) na pokładzie. Urządzenie jest najnowszym i najdoskonalszym instrumentem do obserwacji zmian zachodzących na powierzchni Ziemi. Na jego pokładzie znajduje się zaawansowana kamera, pracująca w zarówno w paśmie widzialnym, jak i w podczerwieni.

Choć urządzenie obserwacyjne Sentinela-2 ma rozdzielczość 10 m2 na piksel – niewiele w porównaniu np. z satelitami DigitalGlobe, które dostarczają szczegółowych zdjęć miast do serwisu Mapy Google – jego zaletą jest szerokie pole widzenia, 270 km. To w połączeniu z orbitą polarną 786 km nad Ziemią (patrz schemat obok) umożliwia fotografowanie całej Ziemi w odstępach pięciodniowych. Pozwala to śledzić zmiany zachodzące na powierzchni planety będące zarówno skutkiem procesów naturalnych, jak też działalności człowieka.

Co ważne, ta finansowana przez Unię Europejską misja zakłada, że wszystkie dane zebrane przez satelity będą bezpłatnie dostępne w internecie dla każdego zainteresowanego. Naukowcy będą wykorzystywać dane do śledzenia zasobów naturalnych, szaty roślinnej i rozmiaru pokrywy lodowej w Arktyce, co z kolei jest jedną z kluczowych informacji potrzebnych do przewidywania zmian klimatu. Każdy człowiek będzie mógł obejrzeć obrazy m.in. w aplikacjach z mapami cyfrowymi takich jak Mapy Google.

Sentinel-2 jest częścią dużego projektu Copernicus (www.copernicus.eu), którego autorzy przewidują utworzenie europejskiej floty satelitów obserwacyjnych. Od 2014 roku pracują już dwa satelity Sentinel-1, które są wyposażone w radar (Synthetic Aperture Radar) tworzący obraz 3D powierzchni Ziemi. Zastosowanie radaru daje szereg korzyści, przede wszystkim radar „widzi” w nocy oraz przez chmury, a także ignoruje liście. Poza tym możliwość rejestrowania rzeźby powierzchni Ziemi pozwala nie tylko na tworzenie map uwzględniających wysokość, ale przede wszystkim na obserwację zmian, np. pływów, cofania się lodowców, kurczenia się pokrywy lodowej w Arktyce itp.

Radary obserwacyjne są tak precyzyjne, że można odczytywać z nich informacje o przesunięciach skorupy ziemskiej po trzęsieniach ziemi. Sentinel-1 przeprowadził m.in. obserwację skutków trzęsienia ziemi o sile 7,8 stopnia w skali Richtera, które miało miejsce w Nowej Zelandii w listopadzie 2016 roku. Okazało się, że po kataklizmie w niektórych miejscach powierzchnia Ziemi została wyniesiona o 8–10 m i przesunęła się wzdłuż uskoku aż o 12 m.

Zdjęcia radarowe generują potężne ilości danych, dlatego Sentinele są wyposażone w bardzo szybkie łącza o przepustowości 0,5 Gbit, które non stop przesyłają informacje do zarządzającej systemem Europejskiej Agencji Kosmicznej (www.esa.int).

Flota Sentineli będzie rosła w najbliższych latach. Od ubiegłego roku na orbicie jest już pierwszy z pary satelitów Sentinel-3, który został wyposażony w bardzo precyzyjne urządzenia do mierzenia temperatury mórz i oceanów, a także do obserwacji najmniejszych zmian w barwie wody. Urządzenia te pozwalają nie tylko na monitorowanie zmian temperatury oceanu, co ma kluczowe znaczenie w przewidywaniu pogody, w tym takich zjawisk jak El Ninio czy cyklonów tropikalnych, ale także pozwala wykryć zanieczyszczenia wody.

Kolejne satelity, Sentinel-4 oraz Sentinel-5, będą wyposażone w zaawansowane spektrometry i urządzenia obserwacyjne działające w paśmie ultrafioletowym, które posłużą do monitorowania zanieczyszczeń powietrza, czyli smogu, stanu warstwy ozonowej, poziomu dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Dzięki konstelacji satelitów obserwacyjnych Sentinel oraz programowi Copernicus w następnej dekadzie człowiek będzie miał lepszą niż kiedykolwiek wcześniej wiedzę o tym, jak działa jego planeta, co powinno przełożyć się na jej lepszą ochronę.

Satelity obserwacyjne, podobnie jak inne technologie kosmiczne, np. nawigacja satelitarna GPS, mają swoje korzenie w zimnowojennej rywalizacji supermocarstw. Pierwszy w dziejach satelita obserwacyjny KH-1 Corona (www.nro.gov/history/csnr/corona) został zbudowany przez Stany Zjednoczone w 1959 roku w celu śledzenia postępów sowieckiego programu budowy rakiet międzykontynentalnych z głowicami nuklearnymi. Ze względu na brak elektronicznego interfejsu do transmisji danych satelity te dostarczały naświetlone szpule z filmem, zrzucając je z orbity w kapsułach na spadochronach. Rozwój elektroniki w latach 70. i 80. umożliwił zbudowanie satelitów szpiegowskich, które mogą transmitować obraz na żywo.

Możliwości tych urządzeń są pilnie strzeżonym sekretem. W przeciwieństwie do cywilnych satelitów monitorujących środowisko, takich jak Sentinel-2, satelity szpiegowskie mają bardzo wąski kąt widzenia i niezwykle wysoką rozdzielczość, prawdopodobnie ok. 10 cm2 na piksel, co jest niezbędne np. do identyfikacji pojazdów. Choć ich konstrukcja jest otoczona ścisłą tajemnicą, pewnych sugestii dostarcza teleskop kosmiczny Hubble (http://hubblesite.org), który, jak się uznaje, jest wzorowany na satelicie szpiegowskim KH-11. Sercem całego systemu jest potężny obiektyw z 2,5 metrowym lustrem, które w przeciwieństwie do tego w teleskopie kosmicznym jest skierowane w stronę Ziemi. Cywilne rozwiązania nie osiągnęły jeszcze takich parametrów przede wszystkim ze względu na koszty. Według nieoficjalnych danych jeden satelita szpiegowski kosztuje 2,5 mld dolarów. Najbardziej porównywalnym, dostępnym dla każdego źródłem tak szczegółowych zdjęć jest satelita WorldView-3 firmy DigitalGlobe (www.digitalglobe.com), który rejestruje zdjęcia w rozdzielczości 30 cm2 na piksel, więc odwzorowuje trzykrotnie mniej detali niż satelity szpiegowskie.

Przełomowym momentem dla satelitarnych systemów obserwacji Ziemi było wyniesienie przez NASA w 1972 roku satelity Landsat-1 (https://landsat.usgs.gov), który był wyposażony w kamerę o rozdzielczości 80 m2 na piksel. Było to pierwsze urządzenie zaprojektowane od początku do monitorowania środowiska oraz tworzenia map. Program Landsat trwa do dzisiaj. Obecnie NASA korzysta z satelity Landsat-8, który rejestruje obrazy z rozdzielczością 15 m2 w paśmie widzialnym oraz w podczerwieni, jest więc najbliższym amerykańskim odpowiednikiem europejskiego Sentinela-2. Twórcy programu Landsat zasłużyli się także dzięki upowszechnianiu dostępu do obrazów satelitarnych.

Od 2008 roku wszystkie dane są dostępne dla każdego za darmo w internecie. Obecnie baza zawiera ponad 22 mln zdjęć wykonanych w przeciągu 45 lat. Gdyby nie dane z satelitów Landsat, nigdy nie powstałyby program Google Earth ani tzw. widok satelitarny w mapach internetowych. Choć w tych serwisach widoki miast bazują na bardziej szczegółowych zdjęciach firmy DigitalGlobe, obraz Ziemi w średnim oddaleniu lub zdjęcia odludnych obszarów pochodzą właśnie z danych Landsat uzupełnionych zdjęciami z programu Copernicus (Sentinel-2). Pochodzenie zdjęcia w mapach Google można sprawdzić w notce o prawach autorskich, która jest wyświetlana przy dolnej krawędzi mapy.

Landsat nie jest jedyną misją obserwacyjną NASA. Dane obrazowe są uzupełniane o pomiary wykonywane przez tzw. A-train, zestaw sześciu satelitów obserwacyjnych, które poruszają się po jednakowej orbicie polarnej w kilkuminutowych odstępach. Mierzą one strukturę i wysokość chmur (CloudSat), stężenie dwutlenku węgla (OCO-2), obieg wody (Aqua, GCOM), aerozole (CALIPSO), dając łącznie niezwykle dokładne informacje o zjawiskach zachodzących na powierzchni i w atmosferze.

Nowoczesne instrumenty satelitarne pozwalają nie tylko na obserwację zmian na Ziemi w odstępach kilkudniowych, ale wręcz na obserwację planety w czasie rzeczywistym. Takie możliwości mają satelity meteorologiczne, umieszczone na orbicie geostacjonarnej. Choć ze względu na dużą odległość obraz nie jest tak szczegółowy (rozdzielczość to 2 km2 na piksel), jak w przypadku satelitów Landsat czy Sentinel-2, nie mówiąc o satelitach szpiegowskich, to najnowszej generacji satelity meteorologiczne, np. amerykański GOES-16 (www.goes-r.gov), pozwalają na pobieranie obrazu całej planety co 15 minut i dostarczają go z zaledwie pięciominutowym opóźnieniem – a w przypadku obrazów wycinkowych nawet częściej. Zdjęcia z satelitów GOES oraz europejskich satelitów EUMETSAT (www.eumetsat.int) są publikowane w sieci i można je oglądać także w formie efektownych animacji, pokazujących formowanie się cyklonów czy zjawisk związanych z przemieszczaniem frontów atmosferycznych.

W najbliższych latach można spodziewać się jeszcze szerszego dostępu zdjęć Ziemi z kosmosu w czasie rzeczywistym. Firma Planet Labs (www.planet.com) rozbudowuje konstelację kilkuset lekkich satelitów obserwacyjnych przesyłających obraz w rozdzielczości 3–5 m2 na piksel z częstotliwością 30 klatek na sekundę. Już teraz na orbicie znajduje się 149 takich urządzeń. Na początku 2017 roku umowę na dostęp do tych danych podpisał Google, więc niewykluczone, że w przyszłości podgląd satelitarny na Mapach Google będzie obejmował dostęp do obrazu na żywo.

Aplikacja desktopowa, która umożliwia dostęp do bazy danych zdjęć satelitarnych Google, w której znajdują się obrazy ze wszystkich opisanych w artykule misji kosmicznych. Według firmy zajmują one obecnie trzy petabajty danych. Można przeglądać zdjęcia archiwalne, a także mapę radarową 3D.
http://pcformat.pl/u/2916

W portalu dostępne są surowe zdjęcia i obrazy radarowe z satelitów Sentinel. Po zaznaczeniu obszaru należy kliknąć ikonę lupy, a serwis wyświetli zestawy danych dotyczących wskazanego obszaru. Wymagana jest bezpłatna rejestracja.
https://scihub.copernicus.eu

Portal zapewnia dostęp do wyselekcjonowanych, najciekawszych zdjęć pochodzących z monitorowania NASA. Obrazy można wyszukiwać w zależności od tematu, a także na podstawie źródła pochodzenia. W wyszukiwarce można także wpisywać nazwy geograficzne.
https://visibleearth.nasa.gov

Serwis ze surowymi zdjęciami z misji Landsat. Zakres danych można zdefiniować za pomocą wyszukiwarki tekstowej, a także zaznaczając na mapie interesujący obszar. Można także określić przedział czasowy wykonania zdjęcia, co pozwala sięgnąć do obrazów historycznych.
https://earthexplorer.usgs.gov

Podgląd obrazu z europejskich satelitów meteorologicznych. Aplikacja nakłada obraz na mapę z konturami kontynentów i państw. Można przełączać się między poszczególnymi pasmami – najbardziej efektowne są zdjęcia RGB composites.
http://pcformat.pl/u/2917