Landsat 9 widzi w ciemności. NASA pokazała, jak satelita zbiera dane

Satelita Landsat 9 rejestruje miliony scen Ziemi z orbity, mierzy temperaturę powierzchni nocą i wspiera analizę zmian klimatu, urbanizacji oraz zasobów wodnych.

Od ponad 50 lat na orbicie krąży niewidzialny rejestrator stanu planety. Najnowsze ogniwo tej serii, Landsat 9, nie tylko robi zdjęcia Ziemi w świetle dnia, ale także mierzy jej ciepło w środku nocy, a na dodatek łączy swoje dane z europejskimi satelitami Sentinel. Efekt to niemal codzienna, cyfrowa kronika tego, jak zmieniają się lasy, miasta, lodowce i pola uprawne na całym świecie.

Pół wieku patrzenia na Ziemię z orbity

Program Landsat wystartował dokładnie w 1972 r., kiedy na orbitę trafił pierwszy satelita serii, jeszcze pod nazwą ERTS-1. To był początek najdłuższej nieprzerwanej serii zdjęć lądów naszej planety z kosmosu. Każda kolejna misja dodawała nowe możliwości: więcej pasm spektralnych, lepszą rozdzielczość, dokładniejsze kalibracje.

Wyniesiony w przestrzeń w 2021 r. na rakiecie z bazy Vandenberg w Kalifornii Landsat 9 jest już 9. satelitą w tej rodzinie i bezpośrednim następcą Landsata 8. Krąży po orbicie na wysokości około 705 km, wracając nad ten sam obszar mniej więcej co 16 dni.

Najważniejsze nie jest jednak samo istnienie kolejnego satelity, ale sama ciągłość. Dzięki temu, iż kolejne Landsaty patrzą na Ziemię w podobnych pasmach i w sposób starannie skalibrowany, naukowcy mogą zestawiać dane z lat 70., 90. i z dzisiejszych misji jak klatki jednego filmu. Widać na nim, jak rozrastają się miasta, kurczą się lodowce, zmieniają się poziomy wód, a lasy przechodzą w plantacje albo wypaloną stepową mozaikę.

Orbitalny skaner w stałym rytmie. Jak pracuje Landsat 9?

Landsat 9 to w gruncie rzeczy wielki, precyzyjny skaner, który zamiast strony w drukarce przesuwa pod sobą powierzchnię Ziemi. W każdym przelocie rejestruje prostokąt o wymiarach mniej więcej 185 x 180 km, składający się z siatki pikseli o rozmiarze 30 m dla większości pasm.

Na jego pokładzie pracują dwa główne instrumenty. OLI-2 (Operational Land Imager 2) mierzy światło odbite od powierzchni w 9 pasmach – od kolorów widzialnych po bliską i krótkofalową podczerwień. Dzięki temu potrafi dostrzec różnice między zdrową a przesuszoną roślinnością, mokrą a spękaną glebą, świeżym śniegiem a zabrudzonym lodem. TIRS-2 (Thermal Infrared Sensor 2) rejestruje z kolei promieniowanie cieplne, czyli temperaturę powierzchni.

Landsat 9 sam w sobie dostarcza ponad 700 pełnych scen dziennie. W połączeniu z Landsatem 8 daje to niemal 1 500 scen na dobę.Wystarcza to, by zmapować wszystkie lądy Ziemi co 8 dni. Tak gęsty rytm obserwacji jest istotny nie tylko dla trendów długoterminowych, ale także dla zjawisk, które zmieniają się z tygodnia na tydzień: wzrostu upraw, rozprzestrzeniania się ognia, odbudowy roślinności po huraganie czy cofania się linii brzegowej po sztormie.

Co naprawdę znaczy 14-bitowa czułość?

W materiałach technicznych o Landsacie 9 bardzo często pojawia się informacja, iż ma 14-bitową rozdzielczość radiometryczną. Brzmi jak coś trudnego, ale da się to wytłumaczyć bardzo prosto.

Każdy piksel na obrazie satelitarnym to nie tylko kropka, ale liczba, która mówi, ile światła w danym paśmie wróciło do detektora. Rozdzielczość radiometryczna określa to, na ile szufladek można podzielić ten sygnał, czyli jak precyzyjnie mierzymy jasność.

Landsat 8 dzielił zakres jasności na 4 096 poziomów (12 bitów), natomiast Landsat 9 rozbija go na na aż 16 384 poziomy (14 bitów). To jak przejście z palety 4 tys. odcieni na paletę 16 tys. bardzo delikatnych tonów. Na pierwszy rzut oka zdjęcia wyglądają podobnie, ale w danych numerycznych zapisanych pod pikselami kryje się dużo więcej subtelnych różnic.

Ma to ogromne znaczenie w miejscach, gdzie sygnał jest silny i łatwo o przepalenie, np. na śnieżnych zboczach, lodowcach, solniskach czy jasnych plażach. Starsze satelity widziały taki obszar jako bardzo jasny, ale mało zróżnicowany. Landsat 9 potrafi rozróżnić nie tylko, iż mamy do czynienia ze śniegiem, ale też jak bardzo jest on mokry, jak zmienia się jego struktura i jak odbija światło wraz z topnieniem.

Dzięki temu naukowcy mogą śledzić np. powstawanie jezior polodowcowych, które pojawiają się w zagłębieniach na lodowcach, albo zmiany w albedo lodu, czyli w tym, jak dobrze odbija on promieniowanie słoneczne. To z kolei wpływa na tempo dalszego topnienia i bilans energetyczny Ziemi.

Lepszy sygnał, mniej zakłóceń

Drugi istotny parametr Landsata 9 to stosunek sygnału do szumu. Chodzi o to, by detektor rejestrował jak najwięcej informacji o powierzchni Ziemi, a jak najmniej śmieci wynikających z elektroniki, atmosfery czy ograniczeń samego sensora.

Najłatwiej wyobrazić to sobie jako próbę usłyszenia cichego szeptu w hałaśliwej sali. Poprzednie generacje satelitów czasem gubiły detale na bardzo ciemnych lub bardzo jasnych powierzchniach, bo sygnał ginął w szumie. Landsat 9 ma elektronikę i algorytmy przetwarzania tak zoptymalizowane, iż potrafi wyciszyć sporą część tego hałasu.

To ważne szczególnie nad wodą. Naturalne zbiorniki, rzeki czy zbiorniki zaporowe z orbity wyglądają zwykle dość ciemno. jeżeli chcemy zobaczyć w nich zakwity sinic, zawiesinę, smugi zanieczyszczeń albo zróżnicowanie temperatury, potrzebujemy instrumentu, który wyłowi subtelne, ledwo zauważalne różnice w sygnale.

Lepszy stosunek sygnału do szumu przekłada się więc na bardziej wiarygodne mapy jakości wody, które lokalne władze mogą wykorzystać do oceny przydatności ujęć wody pitnej, planowania zamknięć kąpielisk czy szybkiego reagowania na potencjalnie toksyczne zakwity.

Widzieć ciepło w ciemności

Stwierdzenie, iż Landsat 9 widzi w ciemności, nie jest żadną metaforą. Jego termalny instrument TIRS-2 rejestruje promieniowanie w dalekiej podczerwieni. To ten zakres, w którym świeci ciepło emitowane przez powierzchnię Ziemi. Nie potrzeba do tego światła słonecznego, więc obserwacje można prowadzić także nocą.

To otwiera cały pakiet zastosowań. W miastach Landsat 9 pozwala zmierzyć zjawisko miejskich wysp ciepła, czyli obszarów, które nocą pozostają znacznie cieplejsze niż otaczające je tereny. Beton, asfalt i dachy długo trzymają nagromadzone w dzień ciepło, podczas gdy parki czy zbiorniki wodne szybciej stygną. Na obrazach termalnych widać, które dzielnice są najbardziej narażone na upały i gdzie nasadzenia drzew czy zmiana materiałów nawierzchni mogą przynieść największą ulgę mieszkańcom.

Z kolei na terenach aktywnych wulkanicznie nocne zdjęcia pomagają śledzić gorące punkty – nowe szczeliny, obszary zwiększonego wypływu lawy, strefy emisji gazów. Natomiast pomiary temperatury powierzchni jezior, rzek i mórz są istotne dla ekologów i hydrologów analizujących wpływ zmian klimatu na ryby, plankton czy warunki zamarzania.

Szczególną rolę nocne możliwości Landsata 9 odgrywają jednak na biegunach. Od 2022 r. amerykańska służba geologiczna prowadzi program LEAP (Landsat Extended Acquisition of the Poles), który wykorzystuje możliwość obserwacji w warunkach bardzo niskiego oświetlenia, a choćby w długiej polarnej nocy.

Na wysokich szerokościach geograficznych słońce na wiele miesięcy znika poniżej horyzontu. Tradycyjne zdjęcia optyczne są wtedy mało użyteczne, ale w termalnych pasmach wciąż można zobaczyć strukturę pokrywy lodowej. W danych z Landsata 9 widać linie pęknięć, kanały z wodą roztopową, cieplejsze pasma wzdłuż krawędzi lodowców, a choćby obszary otwartej wody wśród pól lodowych. To bezcenne informacje dla badaczy Arktyki i Antarktyki, którzy próbują zrozumieć tempo topnienia lądolodów i zanikania lodu morskiego.

Landsat 9 i Sentinel-2 patrzą razem

Choć Landsat 9 już sam w sobie jest imponującym instrumentem, jego prawdziwy potencjał ujawnia się dopiero wtedy, gdy przestaniemy myśleć o nim samodzielnie. W ostatnich latach NASA i europejska ESA zaczęły traktować swoje misje optyczne jako wspólną, wirtualną konstelację.

Najważniejszym elementem tej układanki jest projekt Harmonized Landsat Sentinel-2 (HLS). Dane z Landsata 8 i 9 oraz z europejskich Sentineli 2A, 2B i 2C są w nim przetwarzane tak, aby wyglądały jakby pochodziły z jednego, spójnego systemu. W tej samej siatce przestrzennej, z porównywalnymi pasmami i zgodnymi wartościami odbicia światła od powierzchni.

W efekcie powstaje produkt, który dostarcza obserwacji lądów co około 1-2 dni w rozdzielczości 30 m. Z punktu widzenia użytkownika oznacza to, iż zamiast patrzeć na świat oczami pojedynczego satelity, oglądamy go jakby jednym, bardzo czujnym okiem, które tylko zamienia sensory, ale utrzymuje ten sam standard danych.

HLS jest szczególnie istotny tam, gdzie liczy się tempo zmian: w rolnictwie precyzyjnym, monitoringu suszy, śledzeniu rozwoju pożarów czy ocenie skutków powodzi. Rolnik może dzięki temu sprawdzić kondycję pola pszenicy co kilka dni, a naukowcy modelujący bilans wody w zlewni rzeki mają do dyspozycji gęsty szereg czasowy zamiast pojedynczych migawek.

Landsat 9 jest z kolei w tej układance czymś w rodzaju punktu odniesienia. Jego stabilna kalibracja i wysoka jakość radiometryczna pozwalają przeciągnąć inne dane do wspólnej skali. Dzięki temu użytkownicy, którzy przez dekady korzystali z produktów Landsata, mogą bez większych problemów przejść do epoki wirtualnej konstelacji, nie tracąc ciągłości swoich historycznych analiz.