Przez lody i morza

0

Dzięki uprzejmości serwisu teledetekcja.blox.pl publikujemy felieton Andrzeja Kotarby, klimatologa z Uniwersytetu Jagielońskiego. Artykuł opisuje plan badań wystrzelonej niedawno europejskiej misji CryoSat-2. Zapraszamy do lektury.

Tegoroczna zima dała się wielu we znaki – nic, tylko śnieg, mróz i kra na rzekach. Choć to typowe cechy chłodnej połowy roku w naszej strefie klimatycznej, cieplejsze zimy w ostatnich latach odzwyczaiły nas od takiego stanu rzeczy. Z naukowej perspektywy, to co obserwujemy za oknem to jednak tylko część znacznie większego obrazu. Cofnijmy się na chwilę w czasy, których nie pamiętają nawet najstarsi górale – o jedenaście tysięcy lat. Rozpoczęła się wtedy dzisiejsza faza współczesnego zlodowacenia Ziemi: po ponad stu tysiącach lat zimna temperatura powietrza wreszcie wzrasta, w efekcie czego zaczynają topnieć lądolody, przykrywające m.in. całą północną Polskę (tak, tak – miejsca gdzie dziś są piękne plaże Bałtyku, dawniej nie różniły się zbytnio od Grenlandii). W efekcie podnosi się poziom mórz – być może trudno to sobie wyobrazić, jednak piętnaście tysięcy lat temu był on aż o 120 m niższy niż obecnie, z Francji do Wielkiej Brytanii można było przejść suchą stopą. Do dzisiaj, zdecydowana większość dawnego lodowego okrycia Ziemi już przeszła zniknęła, jednak lądolód wciąż przykrywa niemal całą Antarktydę i Grenlandię, a lód morski skuwa podbiegunowe oceany. Czy czas tego lodowego świata jest również policzony i nasi potomkowie będą znali śnieżną zimę jedynie z podręczników historii? Pytanie to rozpala niejedną dyskusje klimatologiczną i w co raz większym stopniu jest na ustach opinii publicznej, czy nawet polityków.

Poszukiwanie odpowiedzi jest bardzo, bardzo trudne. Dotychczasowa wiedza okazuje się niewystarczająca i konstruowane na jej podstawie modele zmian środowiska polarnego często mijają się z rzeczywistością (przykładowo, tempo w jakim ubywa lodu na Oceanie Arktycznym okazało się być szybsze, niż przewidywania nawet najbardziej pesymistycznych modeli). Jednym ze źródeł niepewności prognoz na przyszłość, jest niepełna wiedza o teraźniejszości. W kwestii lodu sprowadza się ona m.in. do problemu znajomości bilansu masy – różnicy między przyrostem i ubytkiem lodu. Jedynym sposobem uzyskania tego typu informacji w skali całej planety są obserwacje satelitarne. I w tym miejscu do gry postanowiła włączyć się Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), już na wstępie stawiając sobie bardzo ambitne cele.

Jednym z istotnych przedsięwzięć ESA w pierwszej dekadzie 21. wieku miał być CryoSat – pierwszy satelita w całości zaprojektowany z myślą o radarowym pomiarze zmian grubości lodów w strefach polarnych. Po sześciu latach przygotowań, 8 października 2005 podjęto próbę umieszczenia satelity na okołoziemskiej orbicie. Niestety próba zakończyła się porażką – zawiniła rosyjska rakieta nośna i CryoSat zamiast badać m.in. Ocean Arktyczny, skończył swój krótki żywot (o ironio!) na jego dnie, gdzieś pomiędzy Grenlandią a Biegunem Północnym. Niezniechęcona porażką ESA szybko zdecydowała się wyasygnować 75 milionów euro i zbudować duplikat satelity, w miarę możliwości wprowadzając różne udoskonalenia. W połowie września ubiegłego roku budowa CryoSat-2 oficjalnie została zakończona. Od grudnia satelita znajdował się w kosmodromie Bajkonur, z którego wczoraj wyruszył w kosmos na pokładzie rakiety Dniepr (przerobionej na cele komercyjne dawnej międzykontynentalnej rakiety balistycznej).

Lista zadań dla CryoSat-2 jest krótka, ale bardzo wymagająca: przez 2.5 roku mierzyć grubość lodu na Oceanie Arktycznym i wokół Antarktydy oraz zmiany objętości lądolodów Grenlandii i Antarktydy. naturalnie, pomiary musi cechować nieosiągalna do tej pory precyzja i muszą objąć obszary pomijane przez wcześniejsze obserwacje. Realizacja naukowego programu misji uzależniona jest od działania najważniejszego instrumentu na pokładzie CryoSata: radarowego wysokościomierza SIRAL (skrót od SAR Interferometric Radar Altimeter). Podstawowym zadaniem tego typu sensorów jest wysyłanie w kierunku Ziemi impulsów radarowych i nasłuchiwanie ich echa – różnica czasu, jaki upływa między nadaniem a odbiorem odbitego sygnału, pozwala obliczyć wysokość satelity. Jeśli zmienia się ukształtowanie terenu pod satelitą (lód topnieje i w związku z tym maleje grubość lądolodu), kolejne przeloty nad tą samą lokalizacją wykażą stosowny wzrost wysokości orbity. Do tej pory technika ta była jedną z najbardziej zaawansowanych, jednak dla SIRAL będzie najprostszą i tylko jedną z trzech. Ponieważ oferuje niską rozdzielczość przestrzenną danych, sprawdzi się w obserwacjach nad powierzchniami o nieurozmaiconej rzeźbie (czy mówiąc wprost: niemal płaskimi), jak np. wnętrza lądolodów Grenlandii i Antarktydy oraz nad oceanami.

Gdy satelita znajdzie się nad oceanem pokrytym lodem, SIRAL automatycznie przełączy się w tryb SAR (Synthetic Aperture Radar), niestosowany dotąd w radarowych wysokościomierzach. Złożone algorytmy obróbki sygnału radarowego pozwolą wirtualnie zwiększyć wielkość anteny odbiorczej, zapewniając większą rozdzielczość przestrzenną danych. Za sprawą innowacyjnego rozwiązania satelita będzie w stanie mierzyć wysokość tak samego lodu, jak i powierzchni oceanu w niewielkich przerwach między krą. Z różnicy wysokości naukowcy wyznaczą masę i objętość lodu, pośrednio także i objętość wody o jaką zwiększą się oceany z chwilą stopienia kry. W taki sposób skartowana zostanie przede wszystkim Arktyka, która w odróżnieniu od Antarktydy ma wybitnie morski charakter.

Trzeci i najbardziej zaawansowany tryb pracy SIRAL to tzw. interferometria radarowa, również niestosowana w radarowych altymetrach. Wymaga użycia dwóch zsynchronizowanych anten odbiorczych, co gorsza odseparowanych odległością, która nie ma prawa ani odrobione się zmienić w ciągu kilku lat pracy satelity (w przeciwnym razie pomiary stają się bezużyteczne). W zamian interferometria oferuje możliwość badania lodu w miejscach o bardzo dużej zmienności topografii, jak np. na granicach lądolodów. Co ważne, dzięki technice interferometrii CryoSat-2 będzie mógł wziąć na celownik także największe lodowce górskie Alp, Himalajów, Alaski czy Andów, dotąd poza zasięgiem dla tradycyjnych wysokościomierzy radarowych.

Innowacyjne rozwiązania zastosowane w radarze SIRAL to jednak tylko część gwarancji sukcesu. Aby pomiary nie trafiły z miejsca do kosza konieczna jest szalenie precyzyjna znajomość położenia satelity na orbicie. W jej ustalaniu mają pomóc systemy sprawdzone w dotychczasowych misjach badających poziom oceanów, gwarantujące dokładność lokalizacji na poziomie aż 5 cm!

Nowatorski radar i kosmiczna precyzja pomiarów każą wiele oczekiwać po rezultatach badań. Nim jednak z orbity nadejdą pierwsze dane, satelitę czeka półroczny okres testowy. Dopiero po nim rozpocznie się zasadnicza, naukowa, część misji, planowana na 30 miesięcy, z opcją przedłużenia do lat pięciu. Na dane z pewnością nie mogą się już doczekać naukowcy związani z projektem od samego początku, a których cierpliwość została wystawiona na próbę porażką sprzed sześciu lat. Ich plany, jak również ambicje ESA, 8 kwietnia br. po raz kolejny spoczęły na krótką chwilę w rękach inżynierów kosmodromu Bajkonur. Tym razem jednak wszystko poszło zgodnie z planem i CryoSat-2 już chwilę po starcie przeleciał nad miejscem spoczynku swojego pechowego poprzednika, rozpoczynając nowy rozdział w historii badań kriosfery.

Andrzej Kotarba, teledetekcja.blox.pl

Linki:
Mapa z obszarami pokazującymi gdzie i w jakim trybie SIRAL będzie wykonywał obserwacje
Cryosat-2 na angielskiej wikipedii

Share.

Comments are closed.