Co dwie głowy to nie jedna. Czasem ta maksyma znajduje zastosowanie także w odniesieniu do satelitów. Jest tak na pewno w przypadku niezwykłego kosmicznego rodzeństwa – obserwatoriów CloudSat i CALIPSO. Wystrzelone wspólnie, trafiły na niemal identyczną orbitę, a pracując w tandemie, zrewolucjonizowały sposób badania Ziemskiej atmosfery.
Dla wielu satelitarnych instrumentów meteorologicznych atmosfera naszej planety jest w pewnym sensie płaska. W każdym razie takie wrażenie można odnieść, wczytując się w dane napływające z orbity. Informują one, ile było w atmosferze konkretnego gazu śladowego, jakie było stężenie aerozoli, jakie zachmurzenie, itp. Jednak z danych bardzo trudno wywnioskować, jak parametry gazów, chmur lub aerozoli zmieniały się wraz z wysokością. A chmury i aerozole lubią występować warstwowo, czasem naprzemiennie. Ponadto każda z warstw ma inne właściwości fizyczne, przez co w odmienny sposób wpływa na funkcjonowanie atmosfery. Nawet gdy warstwa jest tylko jedna, to – patrząc z góry – skąd możemy mieć tego pewność, skoro nie widzimy, co (jeśli coś) skrywa się pod najwyższą z warstw?
Krojenie chmur laserem i radarem
Z pomocą przychodzą radar i lidar. W obydwu przypadkach są to urządzenia aktywne. Obserwację rozpoczynają od wysłania w kierunku atmosfery impulsu promieniowania, a następnie nasłuchują echa powracającego sygnału. Radar wysyła impuls radiowy, lidar – nanosekundowy błysk światła. Powracający impuls nie jest jednak pojedynczym echem, a raczej długą serią „cichszych” i „głośniejszych” sygnałów. Dzieje się tak dlatego, że impuls odbija się nie od jednego obiektu, ale od każdego, na jaki trafi w swej drodze ku powierzchni Ziemi. Cichutkie echo generuje sama „czysta” atmosfera, czyli jej składniki gazowe. Echo chmur jest donioślejsze, zwłaszcza gdy chmurę budują duże cząsteczki wody/lodu. Sygnał zwrotny aerozoli to coś pomiędzy odpowiedzią najcieńszych chmur i „czystego” powietrza.
Teraz czas na „ale”. Ceną za poznanie pionowego profilu atmosfery jest wielkość obszaru, jaki za jednym razem mogą badać lidar i radar. Typowe instrumenty obrazujące atmosferę (te, z których dane widzimy w prognozach pogody), łapią w kadrze obszar o szerokości co najmniej 2000 km. W przypadku lidaru i radaru jest to… zaledwie 1 km.
Drugie „ale”, to czułość technik aktywnych. Impuls lidaru przenika wyłącznie przez warstwy atmosfery, które są optycznie cienkie, czyli np. chmury Cirrus, „mgiełki”, aerozole. Gdy napotka grubsze chmury, jest w nich momentalnie tłumiony. Radar – przeciwnie. Ponieważ wykorzystuje dłuższe falom, w zasadzie nie zauważa chmur Cirrus czy aerozoli, natomiast doskonale radzi sobie z większością „grubych” chmur. Kapituluje niemal wyłącznie w przypadku potężnych chmur burzowych, gdzie sygnał radaru tłumią duże krople deszczu i grad.
Już nawet tak ogólnikowy opis lidaru i radaru pozwala zauważyć, że obydwie techniki wzajemnie się uzupełniają: radar pokaże te składniki atmosfery, które umkną lidarowi, i vice versa. Geofizycy doskonale zdawali sobie sprawę z takiej synergii i zapragnęli mieć na orbicie obok siebie zarówno laser, jak i radar. Tak narodziła się koncepcja jedynej w swoim rodzaju misji kosmicznej.
Wspólnie na orbitę…
Plan był następujący. Powstaną dwa satelity. Pierwszy, nazwany CloudSat, będzie niósł na pokładzie wyłącznie radar chmurowy CPR (Cloud Profiling Radar). Drugi z satelitów – CALIPSO (skrót od Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) – zostanie wyposażony w lidar oraz dwa dodatkowe instrumenty obrazujące, w założeniu mające wspomóc interpretację danych z lidaru.
CloudSat i CALPSO pomyślano jako satelity całkowicie od siebie niezależne – każdy mógłby zostać wysłany oddzielnie, na zupełnie inną orbitę. Niemniej zdecydowano, że najwięcej korzyści naukowych przyniesie włącznie obserwatoriów o rodzącej się tzw. konstelacji A-Train: grupy satelitów poruszających się niemal identycznej orbicie, obserwujących ten sam obszar planety niemal jednocześnie (coś jakby jeden mega-satelita podzielony na kilka części).
Prace koncepcyjne ruszyły w pierwszej połowie lat 90. minionego wieku. CALIPSO był pomyślany jako efekt współpracy USA i Francji, CloudSat – jako wspólne przedsięwzięcie USA i Kanady. Pieczę nad przedsięwzięciami sprawowała w dużej mierze NASA, która wiążące decyzje o budowie satelitów podjęła w roku 1998 (CloudSat) i 1999 (CALIPSO).
Uznano, że najkorzystniejszą opcją wyniesienia pary obiektów na orbitę będzie wspólny start, na jednej rakiecie nośnej. Do wystrzelenia doszło wiosną 2006 roku, dwa lata po oryginalnie zakładanym terminie. Umieszczenie ładunku na zaplanowanej orbicie przebiegło wzorowo i po okresie obowiązkowych testów satelity przesłały pierwsze wspólne obserwacje naukowe (początek lipca 2006).
… i wspólnie na orbicie
Słowo „wspólne” wymaga tu szerszego komentarza. Jak wspomniałem, satelity były niezależne. Jednak by móc generować wspólne lidarowo-laserowe dane na temat atmosfery, pionowe profile z CloudSat i CALIPSO musiały spełniać kryterium jednoczesności. W praktyce oznacza to, że satelity leciały jeden za drugim (CALIPSO za CloudSat) w odstępie około 12,5 sekund, co przekłada się na odległość około 110 km (po zrzutowaniu orbity na powierzchnię Ziemi). Przyjęto, że w tak krótkim czasie stan atmosfery znacząco się nie zmieni, co wydaje się założeniem całkiem rozsądnym.
Dane ze wspólnych lidarowo-radarowych obserwacji oczarowały naukowców. Na ich podstawie powstały setki artykułów naukowych, w tym te najważniejsze, motywujące budowę i wystrzelenie satelitów. Opisano w nich, jak dokładnie współczesne modele klimatu oddają prawidłowości w występowaniu i charakterystyce zachmurzenia. Chmury to największa nie wiadomo w tych modelach, a CloudSat i CALIPSO pokazały, że jest jeszcze nad czym pracować. Co najważniejsze – wskazały, gdzie tkwią problemy i jaka niepewność z nich wynika.
Obserwacje lidarowo-radarowe pokazały też po raz pierwszy, jak wygląda zachmurzenie na Ziemi w „wersji 3D”, ile wody i lodu zawierają chmury, jak często pada z nich deszcz lub śnieg. Skorzystali i naukowcy zainteresowani klimatem Polski. Na podstawie danych z opisywanych misji udało się m.in. po raz pierwszy w historii wyznaczyć pionowe zróżnicowanie zachmurzenia nad naszym krajem.
Satelita po przejściach
Gwarantowany czas pracy CloudSat i CALIPSO wynosił 22 miesiące, z nadzieją, że bez większych problemów uda się dociągnąć do lat 3. Satelity pozostają na orbicie do dzisiaj. Jednak minione 15 lat nie było czasem spokojnym, zwłaszcza dla kierownictwa misji. CloudSat działał bez większych problemów do wiosny 2011 roku. 17 kwietnia 2011 doszło do awarii, która zaważyła na całej misji. Uszkodzeniu uległa bateria, w efekcie czego satelita nie był w stanie zgromadzić wystarczająco dużo energii do pracy nocą, tj. gdy przelatywał przez cień Ziemi i do paneli słonecznych nie dopływamy promienie słońca. Satelitę błyskawicznie wyłączono z konstelacji A-Train, gdyż nie w pełni sprawny zagrażał innym członkom konstelacji. Po miesiącach prób nie udało się baterii naprawić. Wypracowano jednak dość oryginalne rozwiązanie, które ocaliło misję. A właściwie jej dzienną część.
W nowej konfiguracji CloudSat działał normalnie przez większość każdego okrążenia Ziemi. Zbierał dane, archiwizował je i przesyłał na Ziemię. Jednak chwilę przed wejściem w cień Ziemi deaktywował wszystko co zbędne, pozostawiając pod zasilaniem tylko absolutnie kluczowe podsystemy. Z hibernacji wychodził po 40 minutach, na nowo ustalał swoją pozycję i orientację, wznawiał pracę radaru. I tak piętnaście razy na dobę, przez kolejne… sześć lat. O tyle bowiem udało się przedłużyć misję.
Po awarii z 2011 roku CloudSat powrócił do konstelacji A-Train jesienią 2011, a od 2011 znów współpracował z CALIPSO. Z tą różnicą, że wspólne dane zbierano jedynie w ciągu dnia. Nocą – CloudSat spał. Po powrocie do konstelacji CloudSat znalazł się 100 sekund za CALIPSO, co istotnie pogorszyło jakość danych. Do pewnych zastosowań jednak wciąż były bezcenne.
W końcu roku 2017 pojawił się nowy problem: awaria jednego z kół zamachowych CloudSat. Koła te pomagają utrzymać prawidłową orientację satelity bez konieczności używania silników rakietowych (oszczędność paliwa). Utrata jednego z czterech kół pozwalała kontynuować obserwacje bez zmian, jednak praca z trzema sprawnymi kołami generowała ryzyko, że awaria kolejnego koła doprowadzi do utraty kontroli nad satelitą. To znów zagrażało wszystkim satelitom A-Train. CloudSat musiał pożegnać się z towarzyszami i w lutym 2018 już na zawsze opuścił konstelację.
Razem na emeryturze
Dla CALIPSO los był łaskawszy. W czasie misji nie doszło do awarii, która w tak dużym stopniu okaleczyłaby program badawczy. Niemniej wiosną 2009 CALIPSO utracił swój główny przyrząd obserwacyjny – laser. Okazało się, że kontener, w którym umieszczone są podsystemy lasera, był nieszczelny, co w efekcie uczyniło uzyskiwane dane niezdatnymi do użycia. I byłoby po sprawie, gdyby nie żelazna zasada inżynierów kosmicznych: jak jakiś system da się zdublować, należy to zrobić. CALIPSO miał na pokładzie drugi, identyczny laser (zapasowy), na który się przełączono. Ten zadziałał zgodnie z oczekiwaniami i działa tak do dzisiaj.
Ograniczeniem dla CALIPSO okazały się zapasy paliwa. W połowie września 2018 roku satelita musiał pożegnać się z konstelacją A-Train i zejść na niższą orbitę. Na niej czekał na niego… CloudSat. Uznano bowiem, że skoro obydwa satelity są wciąż całkiem sprawne, to może warto ponownie je połączyć na innej, ale znów wspólnej, orbicie. Nowa orbita była o 16,5 km niższa, od poprzedniej. To powodowało, że tandem CloudSat-CALIPSO do trzy tygodnie przelatywał dokładnie pod satelitami konstelacji A-Train. Rzadka, bo rzadko, ale szansa obserwacje w większym gronie wciąż więc istniała.
Na emeryturze CloudSat i CALIPSO nie podziałały jednak wspólnie zbyt długo. W połowie ubiegłego roku na pokładzie CloudSat awarii uległo drugie koło zamachowe, pozostawiając sprawne jedynie dwa. Sprawdził się czarny scenariusz i satelita wszedł w „stanbdy mode”, czyli tryb zawieszenia. Zaprzestano pozyskiwania danych naukowych. Jak na razie brak informacji, co do postępów ewentualnych prac naprawczych. Tymczasem CALIPSO… wciąż pracuje, stopniowo, dzień po dniu, obniżając swoją orbitę.
Czas na europejskie dwa w jednym
Ponad wszelką wątpliwość CloudSat i CALIPSO spełniły pokładane w nich nadzieje. Pracowały wspólnie znacznie dłużej, niż oczekiwano, a wysyłki inżynierów misji pozwoliły na życie po życiu dla obydwu obserwatoriów (zwłaszcza CloudSat). Uzyskane dane pozostają jedynymi w swoim rodzaju, nieustannie zasilając kolejne badania nad chmurami, aerozolami i bilansem promieniowania Ziemi. Niezwykłe satelitarne rodzeństwo zasłużyło na duże brawa.
To, co może uchodzić za słaby punkt wspólnej misji, czyli umieszczenie radaru i lidaru na osobnych satelitach, na pewno dało do myślenia Europejczykom. Planując własną misję o podobnym charakterze, zdecydowali nie rozdzielać instrumentów i zainstalować je obok siebie, na pokładzie jednego satelity. Co ciekawe, taką samą koncepcję mieli przed laty również Amerykanie, projektujący CloudSata. Wtedy jednak idea dwóch sensorów na jednym obiekcie okazała się zbyt droga. Priorytetem stał się radar, którego nigdy wcześniej w takiej formie na orbicie nie widziano (lasery wykorzystywano już wcześniej w misjach LITE czy IceSat).
Europejski EarthCARE (Cloud, Aerosol and Radiation Explorer), powstaje przy współudziale Japończyków. Satelita powinien zostać wystrzelony w tym roku. Zainstalowany na nim radar będzie w stanie określać pionową prędkość cząstek chmurowych, co pomoże lepiej poznać procesy konwekcyjne w chmurach. Ale to już inna historia…