Transcript
TELEDETEKCJA SATELITARNA W BADANIACH NAUKOWYCH
Na przestrzeniu ostatnich dziesięcioleci ludzkość osiągnęła poziom rozwoju technicznego pozwalający na zdalne obserwowanie wielu zjawisk. Dzisiaj naukowcy badający procesy zachodzące na naszej planecie mają do dyspozycji ponad 100 satelitów naukowych w różnym czasie okrążających ziemię. Pozwalają one na obserwowanie globalnych zjawisk zachodzących w ziemskiej atmosferze, jak i na powierzchni ziemi, nawet co kilka minut. Rozdzielczość przestrzenna informacji dostarczanych przez satelity pozwala również na obserwowanie procesów zachodzących na obszarach wielkości kilku metrów. Różnorodność i coraz większa wszechstronność urządzeń, w które wyposaża się satelity naukowe pozwala badać przemieszczenia gruntów czy budynków, osuwiska i aktywność wulkaniczną. Badania aktywności wulkanicznej, które z satelity mogą być prowadzone bez bezpośredniego narażania na niebezpieczeństwo wulkanologów dają często pełniejszy obraz zjawiska, niż . Teledetekcja doskonale sprawdza się zwłaszcza w monitorowaniu terenów trudno dostępnych, gdzie prowadzenie tradycyjnych badań jest bardzo kosztowne, niebezpieczne lub wręcz niemożliwe do wykonania bez danych dostarczanych przez satelitę. Dlatego zdjęcia satelitarne są coraz częstszym narzędziem badacza zajmującego się obszarami polarnymi czy wysokimi górami. Badania w regionach polarnych są szczególnie ważne ze względu na wrażliwość tych obszarów na globalne zmiany klimatyczne. Z danych satelitarnych możemy uzyskać informacje o aktualnym stanie pogody oraz dane pozwalające na tworzenie na bieżąco prognoz pogody. Dziś każda prognoza pogody dostarczanych nam przez różne media opiera się na danych zbieranych przez satelity. Z satelitów można jednak również obserwować powstawanie w atmosferze zjawisk niebezpiecznych, jak narodziny tropikalnych cyklonów czy huraganów.
Tropikalny Cyklone Gamede widoczny z satelity ENVISAT (MERIS); 23.02.2007 Źródło: ESA Poza spektakularnymi zjawiskami jak huragany naukowcy mogą śledzić za pośrednictwem satelitów również kierunki rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń atmosferycznych oraz prognozować ich skutki dla środowiska w określonych obszarach. Na podstawie takich analiz dowiemy się jakie są źródła zanieczyszczeń niszczących min. lasy na Syberii czy w dorzeczu Amazonki, będące płucami naszej planety. Taka wiedza pozwala łatwiej te źródła eliminować a tym samym zapobiegać niszczeniu kompleksów leśnych pochłaniających dwutlenek węgla, przeciwdziałając globalnemu ociepleniu. Równie ważne są satelitarne badania mórz i oceanów. Na podstawie obserwacji satelitarnych naukowcy badają sezonowe i wieloletnie zmiany temperatury mórz i oceanów, które mają duży wpływ zarówno na produkcję biomasy, jak i rozkład prądów morskich. Od rozkładu prądów zależy bezpośrednio wiele elementów klimatycznych, więc niewielkie nawet zmiany w ich przebiegu skutkują często dużymi zmianami klimatów lokalnych. Rozkład temperatury oceanów na podstawie danych z satelity MODIS; Źródło NASA.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Od temperatury wód morskich zależy rozwój planktonu stanowiącego źródło pożywienia dla ryb. Drobne zmiany temperatury wód mogą zakłócić pojawienie się jednego z elementów całego cyklu a przez to zaburzyć cały proces powodując nawet zmiany gospodarcze, jak miało to miejsce np. gdy uległa zmianie trasa prądu El Ninio.
Rozwój planktonu na Morzu Beringa; SeaWiFS Project, Źródło: NASA/Goddard Space Flight Center, and ORBIMAGE
Naukowcy monitorują z satelitów także wybrzeża morskie. Satelity z łatwością wykrywają takie zjawiska jak zakwity toksycznych glonów czy zanieczyszczenie określonych rejonów wybrzeży.
Zakwit toksycznych glonów u wybrzeży Norwegii; Źródło: SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center, ORBIMAGE. Na zdjęciach radarowych możliwe jest również śledzenie kierunków przemieszczania się zanieczyszczeń, zarówno w przypadku wielkich katastrof ekologicznych, jak i niewielkich zanieczyszczeń spowodowanych awariami technicznymi statków. Wiedza o kierunkach i tempie rozprzestrzeniania się oraz wielkości zanieczyszczeń pozwala lepsze planowanie pozwalające na minimalizację skutków środowiskowych.
Wycieki ropy z wraków u południowych wybrzeży Korei widoczne na zdjęciu satelity ENVISAT ASAR (11.12.2007); Źródło: ESA
Oprócz mórz niezwykle ważnym elementem zainteresowań badaczy korzystających z danych satelitarnych są obszary polarne. Zmiany zasięgu pokryw lodowych w Arktyce i na Antarktydzie mają wpływ na globalną cyrkulację atmosferyczną wpływ mają również. Dlatego wiele misji satelitarnych dedykowanych jest obserwacjom rejonów polarnych. Na zdjęciach satelitarnych obserwuje się zarówno zmiany zasięgu pokrywy lodowej, jak i kierunki dryfu gór lodowych.
QuikSCAT project, Źródło: NASA JPL Badania satelitarne wykorzystuje się także w monitoringu lodowców. Na zdjęciach satelitarnych doskonale widoczne są zmiany zasięgu zarówno lodowców dolinnych jak i tych uchodzących do fiordu. Zmiany w zasięgu lodowców z łatwością można określić zarówno na podstawie danych optycznych jak i radarowych. Porównanie
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
zmian zasięgu lodowców z badaniami rdzeni lodowych pozwala przeanalizować zmiany klimatu w przeszłości. Na podstawie tych naukowcy wnioskują min. o tempie zmian klimatycznych oraz wpływie człowieka na zmiany klimatu.
Zmiany zasięgu lodowców Larsen B Ice Shelf na podstawie danych z satelity Landrat 7 i MODIS Terra; Źródło: NASA
Niezwykle cennym narzędziem dla naukowców są satelity radarowe dostarczające danych umożliwiających określanie zmian wysokości pokrywy lodowej z dokładnością kilku milimetrów. Pozwalają im na to interferometryczne techniki przetwarzania zdjęć mikrofalowych. Na podstawie zdjęć o określonych parametrach można bardzo precyzyjnie badać zmiany wysokości powierzchni lodowców. Informacja o wysokości zmian powierzchni lodu na danym obszarze przełożona na warstwę wody, jaka z tego lodowca odpłynie daje naukowcom informacje o procesach ablacji i akumulacji na danym terenie. Wartości te można porównywać z wcześniejszymi badaniami otrzymując informacje o dynamice zmian lodowców w czasie.
Zmiany wysokości północno-wschodniego wybrzeża Grenlandiina podstawie danych z satelitów ERS1/2; Jeden cykl kolorów oznacza 1000m, kolor czerwony 0 m(brak zmian), zielony +300 m, niebieski +600 m etc. Źródlo:ESA Różnorodność nowoczesnych technologii dostępnych z pułapu satelitarnego pozwala na badanie lodowców niezależnie od warunków pogodowych. Dla glacjologów ważne są również informacje o strukturze powierzchni a zdjęcie satelitarne pozwala zobaczyć ją doskonale, łącznie z układem i topografią szczelin lodowcowych lodowców uchodzących do fiordów, których badanie innymi technikami jest bardzo niebezpieczne.
Struktura powierzchni lodowca Rinks Isbrae na zachodnim wybrzeżu Grenlandii widoczna na zdjęciu z satelity ENVISAT ASAR; 16-02-2006; Źródło: ESA
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Dane satelitarne wykorzystuje się również w badaniach paleoklimatycznych, pozwalających zrekonstruować przeszłe zmiany klimatu na ziemi. Jednym z obszarów doskonale nadających się do takich badań jest leżące na płaskowyżu Altiplanoo najwyżej położone jezioro na świecie. Jezioro Titicaca ze względu na położenie na dużej wysokości nad poziomem morza oraz dużą głębokość w swoich osadach zgromadziło informacje o zmianach klimatu, jakie miały miejsce na ziemi nawet miliony lat temu. Dlatego jest ono również doskonałym źródłem informacji o zmianach zachodzących w ziemskim klimacie obecnie. A stały monitoring zapewniają naukowcom min. zobrazowania satelitarne.
Jezioro Titicaca w Andach widoczne na zdjęciu MODIS: Źródło : NASA/GSFC
Dane satelitarne przydatne są również wulkanologom. Pozwalają bowiem zebrać informacje o obszarach wulkanicznych, które ze względu na niebezpieczeństwo erupcji nie mogły by być zbadane innymi technikami. Obrazy z satelitów pozwalają na stałe monitorowanie potencjalnie niebezpiecznych wulkanów, umożliwiając szybkie wykrycie wzrostu zagrożenia i ewakuację ludności. Dla naukowców ważne są zarówno zmiany temperatury i składu chemicznego otoczenia wulkanu, jak i zmiany topografii krateru i jego okolic. Do takich badań bardzo przydatne są, omówione już w części dotyczącej monitoringu lodowców, techniki interferometryczne, pozwalające wykryć nawet niewielkie zmiany w topografii krateru, które doświadczonemu badaczowi powiedzą wiele o przyszłym zachowaniu wulkanu.
Wulkan Kiluchevskoi, Rosja widoczny na zdjęciu radarowym wykonanym w trakcie misji promu Endeavour (5.10.1994); SIR-C/X-SAR; Źródło: NASA JPL Na zdjęciach satelitarnych wykonanych w kanale podczerwonym naukowcy mogą obserwować potoki lawowe widoczne w różnych kolorach w zależności od ich wieku. Pozwala to zrozumieć historię aktywności wulkanu oraz określać punkt krytyczny pozwalający przewidzieć czas wystąpienia i prawdopodobieństwo kolejnych erupcji. W przypadku badań wulkanologicznych zobrazowania satelitarne w różnych przedziałach spektralnych są dla naukowców bardzo cenną informacją, zwłaszcza, gdy na zagrożony erupcją teren nie można się dostać by przeprowadzić inne badania.
Krater wulkanu Mauna Loa widoczny w podczerwieni na zdjęciu ASTER; Źródło: CCRS
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Dane satelitarne są coraz częściej wykorzystywanym narzędziem również dla archeologów. Na podstawie wstępnych interpretacji obrazów satelitarnych, nawet bardzo rozległych obszarów, można wyznaczyć te, które powinny zostać zbadane dokładniej w trakcie badań terenowych. W kanałach podczerwonych widoczne są znajdujące się pod powierzchnią gruntu elementy niedostrzegalne gołym okiem. Badania takie najłatwiej prowadzić na obszarach suchych, gdzie występowanie roślinności nie zafałszowuje analizowanego obrazu.
Prehistoryczne drogi w Kanionie Chaco w Nowym Meksyku widoczne na zdjęciach satelity Landrat; Źródło NASA
Dane satelitarne wykorzystuje się również do badan z zakresu rolnictwa. Powszechnie na świecie określa się ze zdjęć satelitarnych stan zdrowotny roślinności czy szacuje stan rozwoju roślin w cyklu wegetacyjnym. Pozwala to na szacowanie produkcji rolniczej na świecie i wcześniejsze przygotowanie się na niedobory żywności spowodowane suszami. Ponad tona świecie prowadzone są badania związane z wykorzystaniem danych satelitarnych w rolnictwie precyzyjnym. W rolnictwie mają zastosowanie dane hiperspektralne. Zdjęcia dostarczające informacji zgromadzonych nawet w kilkuset kanałach spektralnych pozwalają na bardzo szczegółowe określanie wielu parametrów – badania gleb, poprzez zawartość wody i chlorofilu po parametry określające stan rozwoju i zdrowotności roślin. Takie badania pozwalają na precyzyjne planowanie rozmieszczenia i wykorzystania upraw, pozwalają również na taki dobór warunków aby dane rośliny rozwijały się możliwie najlepiej. Precyzyjne rolnictwo staje się popularne zwłaszcza na terenach, gdzie uprawy wiążą się z kosztownymi nawodnieniami oraz tam gdzie poziom rozwoju rolnictwa jest bardzo wysoki lub hoduje się roślinny o bardzo ścisłych wymaganiach .
Metodyka badań hiperspektralnych dla potrzeb precyzyjnego rolnictwa Źródło: CCRS
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Na zdjęciach satelitarnych obserwuje się również skutki nawadniania obszarów rolniczych na terenach suchych dla ich produktywności. Na podstawie stosowanych od lat wskaźników możliwych do wyznaczenia ze zdjęć satelitarnych naukowcy określają jak nawodnienia wpływają na produkcję roślinną. Na tej podstawie określa się min. opłacalność nawodnień oraz określa potencjalne zyski wynikające z ich prowadzenia.
Nawodnienia widoczne na zdjęciu satelity ASRER; Źródło: NASA/GSFC/MITI/ERSDAC/JAROS
Przed wykorzystaniem danych satelitarnych nie ustrzegli się również geolodzy. Oprócz badania struktur geologicznych widocznych na zdjęciach optycznych czy radarowych naukowcy sięgają również po dane hiperspektralne i badania spektrometryczne pozwalające określić skład mineralogiczny badanego obszaru. Badania takie są bardzo czasochłonne, zwłaszcza na trudno dostępnych obszarach północnej Kanady, gdzie wykonywano taki projekt.
Wykorzystanie danych satelitarnych w badaniach geologicznych; Arctic Hyperspectral Geology Project; Wyspa Baffina, Borden Rift Basin; źródło: CCRS
W geologii dane satelitarne przydatne są zwłaszcza na terenach słabo pokrytych roślinnością, która utrudnia analizy geologiczne prowadzone z pułapu satelitarnego.
Zdjęcia satelitarne są obecnie wykorzystywane w wielu dziedzinach badań. Jedni uczeniu nie wyobrażają sobie bez nich pracy, inni dopiero zapoznają się z możliwościami, jakie dają sensory satelitarne. Niezależnie od podejścia żaden z naukowców nie zaprzeczy, że w dzisiejszej rzeczywistości satelity dostarczają nam zupełnie innej jakości informacji na temat naszej planety, pozwalając zajrzeć do miejsc dotąd niedostępnych a tym samym poszerzając nasze horyzonty poznawcze, jednocześnie stawiając nowe wyzwania i pytania. Naukowcy nie chcą już badać tylko ziemi. Satelity dostarczają również informacji o innych planetach. Wielu naukowców kieruje więc swoje zainteresowania ku nie poznanym jeszcze planetom, chcąc odkrywać również ich tajemnice.
Candor Chasma na Marsie; HRSC; Źrodło: ESA
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Więcej informacji o zastosowaniach teledetekcji w różnych dziedzinach badań można znaleźć na stronach internetowych: http://earth.esa.int/ew - European Space Agency, Earth Observation, Earth Watching http://www.nasa.gov/topics/earth/index.html - NASA Earth http://www.dlr.de/en/ - German Aerospace Center (DLR) http://ccrs.nrcan.gc.ca - Canada Centre for Remote Sensing
Opracowanie: Agnieszka Iżykowska
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
