Глаза человечества на орбите: как работают спутники

Метеоспутники смотрят дальше — они предсказывают погоду на завтра. Геостационарные спутники (GOES, Meteosat) висят над одной точкой Земли и снимают целое полушарие каждые несколько минут. Спутники на полярных орбитах облетают планету и передают данные для метеопрогнозов.

Спутники климатического мониторинга — основной инструмент, которым мы отслеживаем глобальные процессы, связанные в том числе с изменением климата. Спутники измеряют уровень океана (Sentinel-6), регистрируют процесс таяния ледников (ICESat-2), следят за состоянием лесов и лесными пожарами (Landsat, Sentinel-2). Есть спутники, которые специально измеряют уровень парниковых газов (OCO-2, Sentinel-5P).

Наконец, геологическое время. Радарные аппараты (Sentinel-1) следят за движением тектонических плит и «дыханием» вулканов. 

Большинство инструментов на орбите можно разделить на пассивные и активные. Пассивные ловят то, что Земля излучает сама: видимый свет и тепловое излучение. Гиперспектральные камеры различают сотни узких спектральных полос — по ним опознают минералы, виды растительности, загрязнения. Тепловое излучение показывает очаги пожаров. Микроволновое излучение поверхности показывает влажность почвы и границы морского льда.

Активные инструменты сами освещают планету. Радар с синтезированной апертурой (SAR) посылает радиоимпульсы и строит изображение сквозь облака и в темноте, а сравнение фаз сигнала на двух пролетах (InSAR) позволяет заметить смещение поверхности на миллиметры: так следят за оседанием городов, вулканами и разломами. Лидар ICESat-2 «стреляет» лазером и считает отдельные вернувшиеся фотоны, чтобы измерить высоту ледовых щитов Антарктики и Гренландии. Радиовысотомеры (Jason-3) определяют уровень океана с точностью до сантиметров.

Самый необычный способ сканирования Земли у пары спутников GRACE-FO — они используют для наблюдений гравитационное поле. Они смотрят не на Землю, а друг на друга. Два аппарата с микронной точностью измеряют расстояние между собой. Пролетая над дополнительной массой — горным хребтом или наполнившимся водохранилищем — передний спутник чуть ускоряется, и это микронное изменение  расстояния превращается в гравитационную карту Земли.

Главная перемена последних лет — не в отдельных аппаратах, а в их количестве. Рои дешевых малых спутников (Planet Labs) снимают всю Землю каждый день. Наблюдение перестало быть фотографией, а превратилось в непрерывным кино. Разобрать такой поток человеку уже не под силу — этим занимается искусственный интеллект: нейросети распознают вырубки, пожары, суда и постройки, сводят разнородные карты воедино и даже работают прямо на борту: PhiSat-1 отбрасывает бесполезные, закрытые облаками кадры еще до передачи на Землю. Спутники научились не только смотреть на Землю, но и понимать увиденное.

Но при всем разнообразии методов орбитальный «глаз» скользит по поверхности планеты. Спутники замечают, как сдвинулась кора после землетрясения, но они не знают, где на глубине копится напряжение, которое приведет к новому разлому. Они не видят магматических камер: вулкан «дышит» поверхности, но что у него внутри, неизвестно. Океан непрозрачен для спутника глубже нескольких десятков метров, и трехмерные течения, переносящие тепло на глубине, приходится восстанавливать по косвенным данным. 

Подземные воды GRACE-FO чувствует, но очень грубо, целыми бассейнами, а не отдельными горизонтами. Но именно на гравитацию сегодня главная надежда. Совместная группировка ESA и NASA MAGIC, которую готовят к запуску в начале 2030-х, а вслед за ней квантовые гравиметры на холодных атомах должны поднять разрешение гравитационных карт настолько, чтобы различать каждый водоносный горизонт и движение магмы. 

Первый Спутник-1 мог сказать только: «Я здесь». Будущие спутниковые системы расскажут о том, что происходит на такой глубине, куда человечество еще не может заглянуть.