Wirtualne globusy przyzwyczaiły nas do obrazów satelitarnych, na których bez trudu dostrzeżemy obiekty mniejsze niż jeden metr. Chęć uzyskiwania zobrazowań o coraz większej rozdzielczości przestrzennej to jeden z głównych trendów współczesnej teledetekcji. Tymczasem dzisiaj NASA umieściła na orbicie dziewiątego satelitę serii Landsat, który będzie obserwował Ziemię z rozdzielczością… zaledwie 30 metrów. Taką dokładność dane Landsat osiągnęły już trzydzieści lat temu! Dlaczego NASA nie idzie z duchem czasu i trzyma się standardu z lat 80. minionego wieku?
Idea satelitów Landsat wywodzi się z programu załogowych lotów na Księżyc. Przygotowaniem do misji Apollo była seria kapsuł Gemini wystrzeliwanych między 1964 a 1966 rokiem. Astronautom postawiono za zadanie zdobycie doświadczenia w manewrowaniu na orbicie oraz kosmicznych spacerach. Przy okazji fotografowali Ziemię. Wykonane zdjęcia olśniewały bogactwem kolorów i szczegółów. Pod wrażeniem fotografii była zarówno opinia publiczna, jak i środowisko naukowe.
Dzięki Gemini geolodzy po raz pierwszy w historii dostali do swoich rąk materiał pozwalający poznać rzeźbę planety w obszarach pozbawionych jakichkolwiek map. Zachwyt szybko przerodził się w plan budowy satelity wyspecjalizowanego w automatycznym fotografowaniu planety. Projekt nazwano Earth Resources Technology Satellite (ERTS). Na jego potrzeby NASA stosownie zmodyfikowała platformę satelitów meteorologicznych Nimbus, zastępując sensory do badania atmosfery instrumentami do obserwacji powierzchni lądów.
Oczy pierwszej generacji
Oczyma ESRT były dwa przyrządy: pewniaka i nowicjusza. Rolę pierwszoplanową powierzono kamerze telewizyjnej Return Beam Vidicon (RBV), działającej w sprawdzonej technologii widikonu. Tego rodzaju instrumenty doskonale funkcjonowały w misjach meteorologicznych TIROS, czy na pokładzie sond kosmicznych Ranger i Mariner.
W ramach eksperymentu na pokładzie ERTS zagościł też prototypowy radiometr obrazujący Multispectral Scanner System (MSS). W odróżnieniu od RBV, który był poniekąd odpowiednikiem aparatu fotograficznego, MSS miał dokonywać pomiarów promieniowania elektromagnetycznego, a więc dostarczać informacji ilościowej (a nie tylko fotek).
Dzięki MSS możliwe stało się rozpoznawanie obiektów na podstawie ich cech fizycznych (teledetekcja), a nie kształtu czy barwy (fotointerpretacja). Istotę tej zmiany doskonale rozumieli meteorolodzy eksperymentujący z satelitarnymi radiometrami w czasie misji Nimbus. Geolodzy, biolodzy, ekolodzy, urbaniści potęgę teledetekcji odkryli na dobre dopiero, gdy ERTS przesłał pierwsze dane. Nic dziwnego, że wystrzelenie ERTS (23 lipca 1972) uważają za początek ery teledetekcji satelitarnej.
Wkrótce po starcie satelitę ERTS przemianowano na Landsat-1. Równie szybko RBV znalazł się w cieniu swojego towarzysza – skanera MSS. Kamera telewizyjna działała przyzwoicie, jednak poniżej oczekiwań. Tymczasem “drugoplanowy” i eksperymentalny MSS przechodził najśmielsze oczekiwania inżynierów. Znaczenie RBV malało dosłownie z tygodnia na tydzień. W czasie misji Landsat-2 i -3, rozpoczętych odpowiednio w 1975 i 1978 roku, RBV był już tylko dodatkowym instrumentem inżynieryjnym, a nie naukowym. Po latach, gdy odświeżano archiwa misji Landsat, uznano, że dane z RBV są tak nieistotne iż można je… śmiało wyrzucić do kosza (szczęśliwie część danych jednak ocalono).
Landsat w fazie operacyjnej
Trzy pierwsze Landsaty były eksperymentalne. Wystrzelenie Landsata-4 rozpoczęło operacyjną fazę programu, która trwa do dzisiaj. Różnica między ‘eksperymentalny’, a ‘operacyjny’ może nic być oczywista w przypadku satelitów. Wyjaśniam. Gdy misja jest eksperymentalna, zakłada się, że satelita i jego instrumenty będą działały tylko przez określony czas. Zazwyczaj oczekuje się, że będzie o nie mniej, niż x miesięcy. Gdy czas minie misję można zakończyć. Oczywiście skoro koszty budowy i wystrzelenia zostały już poniesione, satelity eksploatuje się tak długo, jak są sprawne.
Co innego misje operacyjne. Tu zakłada się ciągłość misji – gdy jeden satelita padnie, jego obserwacje muszą być od razu podjęte przez satelitę zapasowego. Czasami zapasowy nie czeka na Ziemi, ale również jest na orbicie. Czasami nieaktywny (na ‘stand-by’), a czasami prowadzi obserwacje na całego, zupełnie jak satelita podstawowy. Landsat-4 zapoczątkował fazę operacyjną, z jednym satelita na orbicie i drugim, dołączającym do niego ‘za jakiś czas’ – tzn. w chwili, gdy Landsat-4 wykazałby oznaki starzenia i zasadne byłoby wystrzelenie następny.
Czwarty Landsat przyniósł wiele zmian. Zrezygnowano z kamer telewizyjnych (RBV). Zamiast nich obok MSS zainstalowano drugi radiometr obrazujący: Thematic Mapper (TM). MSS powstawał trochę na szybko, jako dodatek do RBV. Konstruując TM inżynierowie uważnie wsłuchali się w głos naukowców. Ci, dzięki MSS, wiedzieli już jakie zakresy spektralne należy wybrać, aby badać roślinność, a jakie do obserwacji skał, miast, pokrywy śnieżnej, itp.
Standard na dekady
Ponieważ każda grupa specjalistów miała własne propozycje, o konsensus nie było łatwo. Zlecając budowę TM, NASA musiała więc pogodzić oczekiwania wielu środowisk. Ostatecznie zdecydowała się na sześć zakresów promieniowania słonecznego (0.45-0.52 µm, 0.52-0.60 µm, 0.63-0.69 µm, 0.76-0.90 µm, 1.55-1.75 µm, 2.08-2.35 µm) oraz dodatkowy zakres dalekiej podczerwieni (10.4-12.5 µm) przydatny w badaniu termiki lądów, jak również przy ogólnej poprawie jakości zobrazowań. Instrument pojawił się na orbicie w połowie lipca 1983 roku.
W sześciu podstawowych kanałach Thematic Mapper dostarczał danych o rozdzielczości 30 m/piksel (MSS 80 m/piksel) i był w stanie zobrazować całą planetę w ciągu 16 dni (naturalnie ląd widoczny był jedynie wtedy, gdy niebo było bezchmurne). Jakość danych TM biła na głowę MSS i nawet dzisiaj wiele sensorów nie jest w stanie osiągnąć tak wysokiego poziomu kalibracji. Usprawnienia konstrukcyjne TM wdrożone w misjach Landst-6 i -7 wprowadziły dodatkowy kanał panchromatyczny, zwiększyły rozdzielczość danych w podczerwieni termalnej, jednak pozostawiły bez zmian podstawowe sześć zakresów: 30 m/piksel.
Wysoka jakość danych oraz niezmienność specyfikacji TM stały się głównymi atutami Landsata. Z każdym rokiem poszerzało się archiwum zobrazowań ukazujących zmiany, jakim podlega Ziemia. Dzisiaj, gdy badania zmian środowiska są tematem numer jeden w naukach przyrodniczych, Landsat staje się bezcennym narzędziem w rękach naukowców. Warto zauważyć, że zmiany badane współcześnie przez wiele misji satelitarnych zostały po raz pierwszy wykryte z orbity właśnie przez sensory TM: kurczenie się lodowców górskich, rabunkowe wycinanie lasów tropikalnych, intensyfikacja pustynnienia, rozwój terenów zurbanizowanych.
Monopolista
Konkurencja? Sowietom nigdy nie udało się rozwinąć wystarczająco zaawansowanej elektroniki, by mogli zrealizować równie efektywną misję. Co innego ambicje Europejczyków. W 1986 roku na orbitę trafił francusko-szwedzko-belgijski SPOT (Satellite Pour l’Observation de la Terre) – przez lata jedyny rywal Landsata. SPOT pozwalał uzyskać dane o rozdzielczości 20 m/piksel, ale wyłącznie w trzech zakresach spektralnych. Dzisiaj satelity SPOT wciąż są konstruowane, lecz uległy pokusie rywalizacji z wysokorozdzielczymi satelitami komercyjnymi. Europejskim odpowiednikiem Landsatów są satelity Sentinel-2. Jednak swoją służbę pełnią od zaledwie 2015 roku. Landsat – od pół wieku.
Gdy pod koniec XX wieku do gry włączył się biznes i prywatne satelity, Landsat mógł poszczycić się już dwiema dekadami obserwacji. Przez ten czas dane TM zdążyły się na dobre zadomowić w świadomości naukowców. Pomagała w tym typowa dla NASA propaganda sukcesu, a kropką nad “i” było udostępnienie całego archiwum Landsata za darmo. Podejmowano co prawda próby komercjalizacji przedsięwzięcia, jednak zakończyły się one fiaskiem. Landsat pozostaje do dzisiaj na garnuszku amerykańskiego podatnika.
Finansowanie ze źródeł publicznych ma swoje zalety (ułatwienia w dostępie do danych dla środowiska naukowego), ale i wady (utrata funduszy w obliczu kryzysu lub zmiany priorytetów politycznych). Z tego powodu projekt kilkukrotnie był bliski całkowitego załamania. Nieoczekiwanym pozytywem okazała się solidność, z jaką zbudowano satelity. Landsat-4 funkcjonował 10 lat, a jego następca Landsat-5 – aż 28! Pierwotnie zakładano, że każdy z nich popracuje około trzech lat.
Weteran ratuje program
Starzejącego się Landsata-5 wyłączono z eksploatacji w czerwcu 2013 roku. Satelitę uznano za najdłużej działające satelitarne obserwatorium Ziemi w historii, co znalazło swoje potwierdzenie w Księdze rekordów Guinnessa. Landsat-5 uratował cały projekt dwukrotnie. Po raz pierwszy w 1993 roku, gdy porażką zakończył się start Landsata-6 (rakieta nośna nie sięgnęła orbity). Ponownie – w roku 2003, gdy wystrzelony cztery lata wcześniej Landsat-7 uległ uszkodzeniu.
Landsat-5, jako zasłużony weteran, przeszedł na emeryturę dopiero, gdy nawaliły jego żyroskopy. Co ciekawe, w chwili zakończenia misji wciąż sprawny pozostawał skaner Thematic Mapper (awaria żyroskopu powodowała, że satelita nie był w stanie precyzyjnie kierować obiektywów instrumentu).
Częściowo uszkodzony Landsat-7 pozostał w służbie i do dzisiaj przesyła dane – naturalnie, częściowo uszkodzone. W żadnym razie nie były one w stanie zrekompensować straty Landsata-5. Doszło więc do sytuacji, której naukowcy zawsze starają się unikać jak ognia. Utrata Landsata-5 i częściowo sprawny Landsat-7 zapowiadały przerwanie ciągłości wieloletnich obserwacji. Trzeba było działaś i umieścić na orbicie kolejne obserwatorium. Im szybciej, tym lepiej.
Upragniona zmiana warty
Nie bez nerwów, nie bez napięć, z wieloma problemami technicznymi i przekroczonym budżetem, nowy (ósmy) Landsat opuścił Ziemię 11 lutego 2013 roku. By zaakcentować wagę ciągłości programu, satelitę nazywa się też czasami jego roboczym imieniem: Landsat Data Continuation Mission (LDCM).
Od strony technicznej Landsat-8 stanowił pierwszego z nowej (współczesnej) generacji. Niósł na pokładzie sensory Operational Land Imager (OLI) i Thermal Infrared Sensor (TIRS), dzielące między sobą obserwacje w zakresie promieniowania słonecznego (OLI) i termalnego (TIRS). Do tej pory obydwa zakresy widma obsługiwał jeden sensor. W specyfikacji dodano nowe kanały spektralne, w tym jeden zaczerpnięty z misji meteorologicznych. Pomaga on w wykrywaniu chmur Cirrus, które można następnie ze zdjęć usuwać, niejako „odchmurzając” obraz.
Co szalenie istotne: bez większych zmian pozostawiono sześć podstawowych kanałów, wprowadzonych dekady wcześniej przez pierwszy instrument z serii Thematic Mapper. Również niezmienna pozostała rozdzielczość przestrzenna: 30 m/piksel.
W tandemie z bliźniakiem
Dzisiaj do Landsat-8 dołączył bliźniak, Landsat-9. Nowy towarzysz to z jednej strony przejaw troski o ciągłość unikalnych obserwacji. Z drugiej – chęć zwiększenia ilości danych, zwłaszcza bezchmurnych. Pojedynczy Landsat jest w stanie obserwować ten sam fragment Ziemi co 16 dni. Wynika to z konfiguracji orbitalnej. Landsata-8 i-9 mogłyby pracować na niemal identycznej orbicie, przelatując nad daną lokalizacją jeden za drugim, w odstępie kilku minut. NASA uznała jednak, że lepiej „dziewiątkę” umieścić na orbicie przesuniętej w fazie. W efekcie nowy satelita powieli trajektorię poprzednika – ale z opóźnieniem 8 dni. Tym samym dwukrotnie wzrośnie częstość obserwacji Ziemi.
Sprytny manewr nawiązuje w oczywisty sposób do konfiguracji popularnych europejskich satelitów Sentinel-2. Osobno są w stanie obrazować dane miejsce na planecie co 10 dni, ale działając w stosownie sparowanym tandemie – co 5 dni. Amerykanie ściągają od Europejczyków? Nic z tych rzeczy. W podobnej konfiguracji od lat pracują już Landsat-8 i uszkodzony Landsat-7.
Uniwersalne 30 metrów na piksel
Ciesząc się nowym Landratem, wrócę do pytania z początku tekstu. Dlaczego NASA tak kurczowo trzyma się akurat trzydziestu metrów? Otóż rozdzielczość ta okazała się wystarczająco duża, by dostrzegać zmiany wynikające z ludzkiej aktywności, a zarazem na tyle mała, by uzyskać obraz tych zmian w skali całego świata raz na 1-3 lata (regionalnie nawet kilka razy do roku). Szalenie szczegółowe obrazy z wysokorozdzielczych satelitów komercyjnych nigdy nie zdołają równie efektywnie pokryć zasięgiem całego świata. Sporadycznie też oferują więcej niż 3-4 kanały spektralne.
Landsat – dziecko programu księżycowego i programów meteorologicznych, znalazł dla siebie niszę, która okazała się być niezwykle istotna z perspektywy zmian, jakich doświadcza Błękitna Planeta. Wypełnia tę niszę od blisko 50 lat i przy odrobinie szczęścia będzie wypełniał przez kolejne dekady. Trudno powiedzieć jak przez ten czas zmieni się Ziemia. Można jednak przypuszczać, że Landsat pozostanie Landsatem – uniknie zmian, by zmiany dokumentować.