Ziemia w trzech wymiarach

Po 12 latach pracy Japończycy i Amerykanie stworzyli nową trójwymiarową mapę topograficzną ziemskich lądów o rozdzielczości aż 30 m. To zasługa najlepszych satelitarnych oczu - teleskopów ASTER, w które wyposażona jest sonda Terra

Siedem lat temu w Afganistanie wylądowała niewielka grupa amerykańskich geologów. Przybyli, aby zapoznać się z dawnymi afgańskimi i radzieckimi raportami dotyczącymi zasobów surowcowych tego kraju. Większość z nich pochodziła jeszcze z czasów sprzed sowieckiej inwazji w 1979 roku. Na angielski przetłumaczono wówczas tysiące stron, które w archiwach w Kabulu przeleżały ćwierć wieku. Lektura i analiza tych dokumentów zajęły Amerykanom trzy lata. W końcu uznano, że Afganistan prawdopodobnie dysponuje bardzo bogatymi złożami wielu cennych surowców. Postanowiono dokładnie to sprawdzić, korzystając z nowoczesnych technik poszukiwawczych.

W 2009 roku rozpoczęła się unikalna misja geologiczna, w której wzięło udział kilkudziesięciu naukowców przysłanych przez U.S. Geological Survey, odpowiednik naszego Państwowego Instytutu Geologicznego. Wykorzystano w niej satelity, samoloty szpiegowskie i wojskowe helikoptery, którymi geolodzy ubrani w hełmy i kamizelki kuloodporne latali po Afganistanie, aby w różnych obiecująco wyglądających miejscach zbierać próbki skał do analiz. Badania finansował amerykański Departament Obrony, który miał nadzieję, że dzięki dokładnemu zinwentaryzowaniu złóż miedzi, żelaza, metali ziem rzadkich i innych strategicznych surowców ściągnie tu wielkie koncerny górnicze. Dobrze prosperujące, zatrudniające dziesiątki tysięcy ludzi kopalnie mogłyby - wedle kalkulacji Pentagonu - zapewnić Afganistanowi większą stabilność aniżeli uzbrojeni po zęby żołnierze.

The Khyber Pass is a mountain pass that links Afghanistan and Pakistan. Throughout its history it has been an important trade route between Central Asia and South Asia, and is a strategic military location. It is the route used by Alexander the Great, Cyrus the Great, Genghis Khan, Babur the Tiger, Chandragupta Maurya, Darius I and countless other would-be conquerors. The Afghan Shinwari clan, who live in the Pass, regarded the Pass as their own preserve and have levied a toll on travelers for safe conduct. The perspective view looks from Afghanistan, eastward into Pakistan. The image was acquired October 22, 2007 and is located at 34.1 degrees north latitude, 71.1 degrees east longitude. Przełęcz w Afganistanie / fot. NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS/U.S./Japan ASTER Science Team

Zbadanie Afganistanu w zwykły sposób nie wchodziło w grę z oczywistego powodu - wojny. Wschodnie i południowe prowincje traktowano jako szczególnie niebezpieczne, uważając je za bastiony talibów. Dlatego zdecydowano, że naukowcy będą wysyłani w teren tylko w wyjątkowych sytuacjach. Większość informacji postanowiono pozyskać z satelitów - przede wszystkim z jednego, ale niezwykłego.

Nazywa się Terra i od 1999 roku okrąża świat po orbicie znajdującej się na wysokości 702 km. Amerykańska agencja NASA traktuje go jak flagowy okręt swojej flotylli satelitów teledetekcyjnych.

Wśród pięciu zainstalowanych na sondzie instrumentów najważniejszy jest ASTER (akronim od angielskiej nazwy Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer). To oczy Terry widzące przestrzennie i uważnie się rozglądające. Wyszukują obiekty godne zainteresowania, również dla reszty aparatury. Urządzenie składa się z zestawów teleskopów pracujących w 14 zakresach promieniowania - od widzialnego, przez bliską podczerwień, po promieniowanie cieplne. Dwa z tych teleskopów tworzą parę wykonującą także stereoskopowe pomiary terenu. Duetem można obracać w pewnych granicach oraz zmieniać teleskopom kąt widzenia. Chciałoby się mieć taki narząd wzroku - potrafiący zogniskować się na danym obiekcie i zrobić mu dodatkowo trójwymiarową fotkę.

Kosmicznym oczom Terry wpatrzonej w Ziemię zawdzięczamy unikalne dzieło - jednolitą cyfrową mapę topograficzną ziemskich lądów wykonaną w rozdzielczości 30 m. Dokładnie rzecz biorąc, nie jest to mapa, ale trójwymiarowy model terenu. Jego pierwszą wersję pokazano dwa lata temu na dziesięciolecie istnienia satelity. Został złożony z blisko 1,2 miliona stereoskopowych fotografii. Już wtedy zapowiadano rychłe opublikowanie drugiej wersji modelu z mniejszą ilością błędów, dokładniejszym rysunkiem terenu i przede wszystkim z doskonale pokazaną siecią hydrograficzną, co było możliwe dzięki nowym algorytmom obróbki danych. Ta druga wersja mapy, w której wykorzystano dodatkowych 250 tysięcy trójwymiarowych obrazów, ujrzała światło dzienne w połowie października tego roku. Ponieważ teleskopy są urządzeniami optycznymi, nie potrafią przeniknąć przez chmury. Dlatego dane do mapy zbierano od 2000 roku. Nie ma na niej jedynie obszarów położonych powyżej 83 st. szerokości geograficznej północnej i południowej. Brakuje więc tylko kawałka Antarktydy.

Terra to najlepsze dziś satelitarne narzędzie do prowadzenia obserwacji ziemskich lądów. Oczywiście sondy szpiegowskie mają jeszcze ostrzejszy wzrok, ale patrzą zbyt wąsko z punktu widzenia potrzeb naukowców prowadzących badania ziemskiego środowiska. Ci już pół wieku temu szybko zorientowali się, że sondy kosmiczne doskonale nadają się do teledetekcji, czyli obserwowania Ziemi. Pierwszy satelita meteorologiczny TIROS 1 został wystrzelony w 1960 roku. Kilka lat później pojawił się pomysł wysłania pierwszej sondy teledetekcyjnej z prawdziwego zdarzenia. W 1972 roku na czubku rakiety Delta pofrunęła na orbitę eksperymentalna sonda ERTS 1, którą później przemianowano na Landsat 1. Robiła doskonałe jak na owe czasy zdjęcia większych fragmentów globu, i to w czterech zakresach promieniowania. Przedmiotem jej zainteresowania były nie poligony wojskowe, ale cała planeta - patrzyła szerzej i zarazem na tyle wnikliwie, na ile było to możliwe dzięki ówczesnej technice. Naukowcy pochylali się nad przesłanymi przez nią fotografiami coraz bardziej zachwyceni tym, co widzieli.

W końcu w przestrzeń kosmiczną zaczęto wysyłać sprzęt do obserwacji trójwymiarowych. Przełomowe znaczenie miała misja promu kosmicznego Endeavour w lutym 2000 roku nazwana Shuttle Radar Topography Mission. Wahadłowiec dźwigał dwie anteny radarowe oddalone od siebie o 60 m. Jedną z nich umieszczono na końcu długiego masztu, który wysunięto z ładowni zaraz po osiągnięciu orbity. Dzięki temu prom robił temu samemu kawałkowi lądu dwa zdjęcia - każde pod nieco innym kątem. Po ich nałożeniu powstawał trójwymiarowy obraz. W ciągu 10 dni Endeavour sfotografował wszystkie lądy pomiędzy 60? szerokości geograficznej północnej a 56? szerokości geograficznej południowej. Z tych zdjęć złożono pierwszą w dziejach globalną mapę topograficzną, która obejmowała cztery piąte lądów. Pomysłodawcy misji wahadłowca, pytani, po co ją zorganizowano, przedstawiali długą listę potrzeb cywilnych, naukowych i wojskowych. Przede wszystkim zwracali uwagę, że choć część lądów, w tym Europa, Australia i Ameryka Północna, została już dokładnie pomierzona metodami naziemnymi i lotniczymi, to wciąż brakuje takich danych dla wielu trudniej dostępnych i słabiej rozwiniętych obszarów.

Pomiary wykonane tak błyskawicznie przez prom Endeavour - co jest zasługą wykorzystania radaru, któremu chmury nie przeszkadzają - miały jednak spore braki. Nie objęły jednej piątej lądów,; ponadto metoda zawodziła przy pomiarach stromych stoków, więc uzyskane obrazy terenów górskich miały słabą jakość i ograniczone zastosowanie. Obu wad pozbawiona jest mapa sporządzona przez Terrę. Próba stworzenia podobnej globalnej mapy na podstawie danych uzyskanych od poszczególnych krajów nie miałaby sensu, ponieważ po pierwsze - niektóre z nich odmówiłyby informacji, a po drugie - co kraj, to inna metoda pomiarów i inny sposób obróbki danych. Nie mówiąc już o tym, że jedne informacje mogą być świeżej daty, a inne pochodzić, dajmy na to, z lat 60. Zatem puzzli dla całego globu nie dałoby się w ten sposób ułożyć.

Tymczasem wszelkie regionalne lub globalne projekty cywilne i badawcze, na przykład ocena stanu upraw, lasów, wód i innych elementów pokrycia terenu czy też określanie ryzyka i skutków katastrof naturalnych (powodzi, susz, wielkich pożarów), wymagają jednolitej bazy topograficznej oraz programów do interpretacji obrazów. Geolodzy szukający surowców mineralnych w Afganistanie sięgnęli najpierw po trójwymiarowe modele terenu, a następnie nakładali na nie zdjęcia wykonane równocześnie przez inne teleskopy Terry w kilkunastu zakresach promieniowania. Po wielu miesiącach analiz mieli w ręku listę ponad 20 obiecujących rejonów, dla których przygotowano szczegółowe trójwymiarowe mapy wysokościowe, hydrograficzne i geologiczne. Te ostatnie powstały dzięki temu, że urządzenie ASTER potrafi rozpoznać wiele rodzajów skał wychodzących na powierzchnię. Może więc wskazać prawdopodobne nagromadzenia rud metali czy złóż ropy naftowej. Ich istnienie potwierdziły samoloty wyposażone w skanery hiperspektralne (potrafiące identyfikować minerały z powietrza), a ostatecznie - ludzie. Obrazy z ASTER-a wykorzystano również do poszukiwania wody, oceny jakości gleb i stanu upraw na afgańskich polach. W innych miejscach globu teleskopy satelity Terry są wykorzystywane do obserwowania wulkanów, lodowców, miast i żywiołów, jak na przykład ostatnio zasięgu powodzi w Tajlandii.

The flooding from the Chao Phraya River, Thailand moved steadily south towards the capital city of Bangkok. The top image was acquired November 1, and shows Don Muang, Bangkok's domestic airport, under water. Compared to the bottom image, acquired October 25, more fields to the northeast are inundated. The major flooding was west of the river, and into the city. The ASTER images cover an area of 26 by 27kilometers, and are located near 14.1 degrees north latitude, 100.5 degrees east longitude. Powódź w Bangkoku (u góry - zalane pola i lotnisko) / fot. NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS/U.S./Japan ASTER Science Team

Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej", "Wprost".