TELEDETEKCJA SATELITARNA W BADANIACH NAUKOWYCH
Na przestrzeniu ostatnich dziesięcioleci ludzkość osiągnęła poziom rozwoju technicznego pozwalający na zdalne
obserwowanie wielu zjawisk. Dzisiaj naukowcy badajÄ…cy procesy zachodzÄ…ce na naszej planecie majÄ… do
dyspozycji ponad 100 satelitów naukowych w różnym czasie okrążających ziemię. Pozwalają one na
obserwowanie globalnych zjawisk zachodzÄ…cych 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
y
ródło: 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 z
ródła zanieczyszczeń niszczących min.
lasy na Syberii czy w dorzeczu Amazonki, będące płucami naszej planety. Taka wiedza pozwala łatwiej te
z
ródła 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 badajÄ… 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; y
ródło NASA.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej www.kosmos.gov.pl
Od temperatury wód morskich zależy rozwój planktonu stanowiącego z
ródło 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, y
ródło: 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;
y
ródło: 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);
y
ródło: 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, y
ródło: 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 wnioskujÄ… 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;
y
ródło: 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.
y
ródlo: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;
y
ródło: 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 z
ródłem informacji o zmianach zachodzących w
ziemskim klimacie obecnie. A stały monitoring zapewniają
naukowcom min. zobrazowania satelitarne.
Jezioro Titicaca w Andach widoczne na zdjęciu
MODIS: y
ródło : 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;
y
ródło: 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;
y
ródło: 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; y
ródło 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 majÄ… 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 siÄ™ 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
y
ródło: 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 wskaz
ników 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;
y
ródło: 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 pozwalajÄ…ce
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; z
ródło: 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;
y
rodło: ESA
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej www.kosmos.gov.pl
Więcej informacji o zastosowaniach teledetekcji w różnych dziedzinach badań można znalez
ć 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