Zprávy ze světa

4fe41_illustration-ldcm
04.09.2012

Landsaty 40 let...

... v nejdelší sérii družicových pozorování sledují proměny Země.

Družice Landsat položily základy k civilnímu dálkovému průzkumu Země. Projekt těchto družic byl inspirován snímky Země pořízenými z oběžné dráhy prvními astronauty při jejich průkopnických letech. Jeden takový snímek zaujal Stewarta Udalla, ministra vnitra ve vládách J.F.Kennedyho a Lyndona Johnsona. Na snímku jeho domovského státu Arizona bylo zřetelně vidět znečištění produkované elektrárnami v oblasti Four Corners. Nebylo to sice nic, o čem by Udall nevěděl už z vlastní zkušenosti, ale vidět to takhle zřetelně při pohledu z vesmíru byl najednou zcela jiný zážitek. Pod tímto dojmem Stewart Udall vyzval Johnsonovu vládu k vytvoření programu družic dálkového průzkumu Země. Společné úsilí ministerstva vnitra a agentury NASA nakonec vedlo k vytvoření programu ERTS (z angl. Earth Resource Technology Satellite, česky Technologické družice pro mapování zdrojů Země).
První družice tohoto programu odstartovala 23. července 1972 z kosmodromu u letecké základny Vandenberg v Kalifornii na palubě nosné rakety Delta 900. Spolehlivost družice a kvalita jejích snímků předčila očekávání a umlčela pochybovače, takže se agentura NASA rozhodla vypustit v roce 1975 druhou takovou družici. Měla se původně jmenovat také ERTS, ale nakonec se prosadily hlasy navrhující pojmenovat družice atraktivnějším jménem. Tak byla první družice na oběžné byla dodatečně přejmenována na Landsat-1 a označení Landsat si dosud uchovaly všechny další družice této řady. Celkem jich už bylo 7, ve třech různých typových generacích, všechny startovaly ze základny Vandenberg na nosných raketách Delta, kromě jednoho startu s raketou Titan II, kdy ale družice nedosáhla oběžné dráhy.

Družice Landsat-1. První generace tvořená družicemi Landsat 1, 2 a 3 byla konstrukčně odvozena od meteorologických družic Nimbus. Zdroj: NASA

 

Obr. Družice Landsat-1. První generace tvořená družicemi Landsat 1, 2 a 3 byla konstrukčně odvozena od meteorologických družic Nimbus. Zdroj: NASA

Od prvních let pomáhaly snímky z družic Landsat zmapovat špatně dostupné oblasti a podle družic Landsat dostal jméno i jeden ostrov. V sedmdesátých letech byla data z družice Landsat-1 použita k mapování kanadského pobřeží. Analýza obrazových dat odhalila množství v mapách dosud nezakreslených krajinných prvků a jedním z nich byl i malý ostrov dvacet kilometrů severovýchodně od pobřeží Labradoru. Poprvé byl ostrov zaznamenán na družicových snímcích v roce 1973 a v roce 1976 z nich byla určena jeho zeměpisná poloha. Na památku nového nástroje objevování byl pojmenován ostrov Landsat (angl. Landsat Island). Pak bylo třeba provést ověření jeho skutečné existence a pokud možno i podrobnější průzkum. Tento úkol připadl doktoru Franku Hallovi z Kanadské hydrografické služby. Jenže úkol se na místě samém ukázal složitější, než by se mohlo zdát. Když byl z helikoptéry uvázáný v postroji na laně spouštěn na tento malý a tehdy ledem zcela pokrytý ostrov, vztyčil se náhle na nejvyšším ostrovním pahorku polární medvěd, který předtím na bílém ledu z výšky nebyl rozeznatelný. Protože byl medvěd zjevně odhodlán průzkumníkovu činnost radikálně ukončit hned, jak mu přistane do drápů, musel doktor Hall škubáním za kabel vyslat do helikoptéry nouzový signál ke svému urychlenému vytažení zpět. Tak byl nevrlým medvědem znemožněn první pokus o blízký průzkum ostrova Landsat a není známo, že by to někdy někdo zkoušel znovu. O ostrově se tak ví jenom to, že vyčnívá 6.6 metru nad hladinu nejvyššího přílivu a jeho rozměry jsou pouhých 25m * 45m. Přestože je ostrov tak malý, je jedním z nejvýchodnějších výběžků kanadské pevniny a jeho existence v této oblasti tak vedla k zvětšení plochy Kanady o 68 km2. Objevení tohoto malého ostrova byl z technického hlediska úspěch také proto, že jeho rozměry jsou pod velikostí jednoho obrazového pixelu dat Landsatu-1 a tedy pod teoretickou rozlišovací schopností. Pokud je ale objekt dostatečně kontrastní vůči pozadi, jako v tomto případě světlým ledem pokrytý ostrov na tmavé mořské hladině, lze ve výjimečných případech na datech detekovat i takto malé objekty. Kromě tohoto ostrova snímky družic Landsat pomohly zmapovat další předtím neznámá jezera, ostrovy nebo i útes v Indickém oceánu. Družicové technologie tak vedly k jednomu z nejproduktivnějších období v historii kartografie, srovnatelné pouze se zlatou érou mapování v šestnáctém a sedmnáctém století.

Časové rozpětí 40 let umožňuje mapovat změny probíhající na zemském povrchu. A jsou to změny někdy i velmi radikální…

Aralské jezero bývalo čtvrtým největším jezerem na světě. V jinak suché oblasti na hranicích mezi Kazachstánem a Uzbekistánem umožňovalo rybolov ve svých vodách a na březích chov skotu a pěstování zeleniny. Vše se změnilo v roce 1954, kdy byl zahájen projekt na přesměrování značné části vod z řek Amudarji a Syrdarji do zavlažovácích kanálů v poušti nově vytvářených zemědělských ploch pro pěstování bavlny a dalších na vodu náročných plodin jako rýže a melouny.

Snížení přítoku vody do průtočného jezera nemusí znamenat zásadní problém, rovnováhu lze obnovit regulací odtoku vody vybudováním hráze. Jenže Aralské jezero není průtočné, je to jezero bezodtoké, kolik vody do něj přiteklo, tolik se zase odpařilo. V okamžiku, kdy se začal průtok vody snižovat, začalo jezero nezadržitelně vysychat. Vody do něj teklo méně, zato daleko znečištěnější pesticidy a hnojivy. Ve vysychajícím jezeře bylo stále méně vody, ve které by se vzrůstající znečištění mohlo naředit. I slanost jezera stoupla několikanásobně a ryby začaly vymírat. Protože je dno u břehů poměrně ploché, znamenal každý pokles vody i velké zmenšení plochy jezera a posun břehové linie někde i o více než 80 km. Z vysušeného znečištěného dna zvedá vítr oblaka jedovatého prachu a ničí úrodu na okolních polích. Větrné bouře způsobují zasolení půdy až stovky kilometrů daleko. Města se téměř vylidnila, kdo se neodstěhoval, trpí často vážnými zdravotními problémy. Opuštěné přístavy na suchu zasypává prach a písek, vraky rybářských a dopravních lodí rezaví v poušti, která dříve bývala dnem jezera, jehož hladina zmizela za obzorem.

Vysychající Aralské jezero na snímcích družic Landsat z let 1977, 1998 a 2010. Nejstarší snímek byl pořízen Landsatem 2 a je proto v nepravých barvách, oba novější snímky jsou v barevné syntéze  přirozených barev. Měřítko označuje 30 mil, odpovídajících zhruba 50 km. Zdroj: NASA, USGS Data Center

 

Obr. Vysychající Aralské jezero na snímcích družic Landsat z let 1977, 1998 a 2010. Nejstarší snímek byl pořízen Landsatem 2 a je proto v nepravých barvách, oba novější snímky jsou v barevné syntéze přirozených barev, kterou lze vytvořit z dat pořízených Landsaty 2. generace a novějších. Měřítko označuje 30 mil, odpovídajících zhruba 50 km. Zdroj: NASA, USGS Data Center

Od 2003 se vláda samostatného Kazachstánu pokouší o záchranu alespoň tzv. Severního Aralského jezera, pouze malé severní části celého jezera, kterou oddělila od zbytku vysychající plochy hrází. Snížením plochy hladiny se snižuje odpařování, takže by i současný nízký přítok mohl na udržení malého Severního jezera stačit. Naopak uzbecká vláda na jihu nehodlá omezovat spotřebu vody pro bavlníkové plantáže. Celá jižní část jezera je tak odepsaná. Už se rozpadla na dvě části, mělká východní část zaniká v těchto letech, hlubší západní zmizí zhruba do dvaceti let.
Vyjádřeno čísly, v období mezi roky 1960 – 2003 se plocha jezera zmenšila z 68 000 km2 na 18 240 km2, tj. zmizely 2/3 plochy jezera. Slanost vody stoupla místy 6 až 12 krát, hladina klesla o 22 metrů, jezero ztratilo 80 % objemu vody.

Původní rozhodnutí o zahájení celého projektu bylo přijato na nejvyšších místech tehdejšího SSSR. Nad tragickými následky se stále ještě vedou spory, kde mohli soudruzi z politbyra udělat chybu. Podle jednoho názoru všechno podřídili touze získat více „bílého zlata“, tj. bavlny, jako velmi významné exportní suroviny. A Aralské jezero i s okolím bylo (a dodnes nadále je) tomuto cíli bezohledně obětováno. Podle druhého názoru podlehli vlastní megalomanii a věřili, že rostoucí negativní následky jednoho monstrózního projektu zvrátí provedením druhého, ještě monstróznějšího a děsivějšího. Od šedesátých let plánovali provést přesměrování toku řek Obské pánve rozsáhlým systémem kanálů do Centrální Asie, včetně Aralského jezera, které by tak bylo možné znovu naplnit. Tyto řeky tečou na sever přes Sibiř do Severního ledového oceánu a jejich přesměrování na jihozápad je nemožné zvládnout konvenčními stavebními prostředky. Proto měly být pro terénní úpravy použity jaderné nálože. A v roce 1970 také použity byly, na stavbě kanálu Pečora-Kama byly odpáleny tři 15kilotunové jaderné nálože. Bylo odhadnuto, že pro stavbu kanálu by bylo potřeba takových explozí provést ještě asi 250. Samozřejmě s následky radioaktivního zamoření. To bylo tehdy prohlášeno za „zvládnutelné“, ale jakékoliv další stavební práce na kanále byly po těchto pokusech zastaveny. Navíc se objevily obavy, že vlastně nelze předpovědět, jaký vliv bude mít přesměrování takových objemů vod na počasí i dlouhodobé klima. Pro obrovké náklady a nevyzpytatelná rizika byl tento megalomanský projekt definitivně zrušen v roce 1986.

Dalšími známými snímky z družic Landsat jsou záběry hořících kuvajtských ropných polí. Když bylo během první války v Perské zálivu jasné, že irácká vojska nejsou schopna v konvenčním boji čelit technologické převaze západních spojenců, snažili se ustupující iráčtí vojáci napáchat co nějvětší škody na kuvajtských ropných vrtech. Přes 650 jich zapálili a další poškodily. Do prostředí se tím uvolnilo 1.5 miliardy barelů ropy. Vznikla tak největší ropná skvrna v historii. Vzduch znečištěný hořící ropou byl pravděpodobně i jedním z důvodů vzniku tzv. syndromu Války v zálivu – neurčitých a různorodých psychosomatických, respiračních, imunitních a psychický poruch, kterými trpí nápadně často zejména vojáci, kteří se pohybovali v blízkosti zapálených ropných polí.

Snímky kuvajtských ropných polí pořízené družicí Landsat-5 v srpnu 1990, v červnu 1991 a v lednu 1992. Zdroj: NASA, USGS Data Center

 

Obr. Snímky kuvajtských ropných polí pořízených družicemi Landsat byly použity k lokalizaci a sledování pohybu oblaků kouře z hořících ropných vrtů. Trojice snímků pořízená družicí Landsat 5 ukazuje Kuvajt před požáry v srpnu 1990, během největších požárů v červnu 1991 a v lednu 1992, zhruba dva měsíce od okamžiku, kdy byl uhašen poslední. Obraz je složen ze tří z celkem sedmi snímaných obrazových kanálů, v této kombinaci (7.-4.-2.kanál) zejména 7. kanál snímající v pásmu infračervených krátkých vln je schopen snadno detekovat plameny požárů o teplotách 700-800°C. Tyto teploty jsou tak vysoké, že je někdy senzor dočasně přetížen a místo bodového zdroje se na datech objeví červená linka. Zdroj: NASA, USGS Data Center

Přes svou nepochybnou globální prospěšnost se program družic Landsat potýkal (a do značné míry stále potýká) s problémy s financováním. Původně projekt začínal jako výzkumný a nekomerční, řízený agenturou NASA, ale v roce 1979 prezident Jimmy Carter otevřel cestu k převedení projektu Landsat pod Národní úřad pro oceán a atmosféru NOAA (z angl. National Oceanic and Atmospheric Administration) a změně jeho statutu z výzkumného na operační. V roce 1984, kdy byl úspěšně vypuštěn pátý Landsat, schválil americký Kongres zákon o komercializaci programu. O rok později, po zdlouhavém řízení, převzala řízení činnosti Landsatu 4 a 5 nově vytvořená firma EOSAT, která se měla postarat o zkonstruování Lansatů 6 a 7. Komercializace ale projektu Landsat výrazně uškodila. Pro pokrytí nákladů úřad NOAA dramaticky zvýšil prodejní ceny dat Landsat, u některých produktů až šestkrát. Firma EOSAT pak začala přebírat Landsaty ve chvíli, kdy kvůli vysokým cenám přestala většina drobných zákazníků data kupovat, zbyli jen zájemci z řad armády a velkých těžebních, ropných a důlních společností. Během řízení EOSATem byla data pořizována jen podle požadavků jejich zákazníku, což vedlo k omezení globálního sběru dat a dokumentační hodnota tohoto unikátního datového souboru pro budoucnost začala klesat. V roce 1989 dokonce nedostatek financí přiměl úřad NOAA dát společnosti EOSAT pokyn k vypnutí obou funkčních Landsatů. Tehdejší viceprezident a současně v jedné osobě i předseda Národní rady pro kosmonautiku (angl. National Space Council) Dan Quayle zajistil nouzové financování, které umožnilo projektu Landsat pokračovat, ale problémy s financováním se opakovaly i v dalších letech, kdy Kongres poskytoval NOAA pouze polovinu potřebných prostředků. Nakonec v říjnu roku 1992 Kongres uznal hodnotu programu Landsat a schválil nařízení o dálkovém průzkumu (angl. Land Remote Sensing Policy Act, Public Law 102-555), vracející řízení družic Landsat pod vládu, schvalující dodání nového Landsatu 7 a zajišťující stálou dostupnost digitálních dat a snímků landsat ze nejnižší možné ceny tradičním i novým uživatelům.

Přehled družic Landsat  a období jejich aktivního provozu. Zdroj: NASA

 

Obr.: Přehled družic Landsat a období jejich aktivního provozu. Zdroj: NASA

Rodina družic Landsat se nyní skládá ze tří typových generací, šesti družic na oběžné dráze (ze sedmi vypuštěných), dvě jsou udržovány v provozu, ovšem se značnými problémy.

První generaci tvoří družice Landsat-1 až Landsat-3. Všechny tři družice byly vybaveny dvěma nezávislými přístroji pro pozorování Země. Za hlavní přístroj byla původně považována kamera typu vidicon RBV (z angl. Return Beam Vidicon). Jako druhý přístroj, spíše experimentální, byl na družicích multispektrální skener MSS (z angl. MultiSpectral Scanner). Ovšem už u Landsatu-1 se ukázalo, že data MSS jsou mnohem kvalitnější. Tato data byla pořizována ve čtyřech spektrálních pásmech zeleného a červeného viditelného světla a dvou pásmech světla infračerveného. Kamery RBV na Landsatech-1 a 2 pořizovaly data pouze ve třech pásmech (zelené, červené a jedno infračervené). Přístroje na družicích Landsat-1 a 2 byly skoro totožné, rozlišení jimi pořizovaných obrazovách dat bylo zhruba 70 až 80 metrů. Na družici Landsat-3 bylo rozlišení senzoru RBV zlepšeno na 38 metrů, přístroj se skládal ze dvou kamer, které ale snímaly pouze v jednom širokém spektrálním pásmu namísto dřívějších tří pásem. Skener MSS u Landsatu-3 měl být schopen navíc snímat ještě v tepelném pásmu, bohužel snímání v tomto novém čtvrtém pásmu přestalo fungovat krátce po startu. Všechny tři družice jsou stále na oběžné dráze, ale byly postupně vypnuty, jednak proto, že jejich funkci mohly převzít novější dokonalejší družice, jednak pro vzrůstající opotřebovanost, kdy už družice přestává pracovat dostatečně spolehlivě.

První zástupce druhé generace Landsat-4 nesl podobný senzor MSS jako předchozí družice, navíc byl ale (namísto kamery RBV) vybaven novým senzorem TM (z angl. Thematic Mapper) pořizující data v rozlišení 30 metrů v sedmi barevných kanálech umožňujících vytvoření obrazu i v přirozených barvách. Senzory MSS nesnímaly v modrém pásmu, takže umožňovaly zobrazovat data pouze v nepravých barvách, které jsou sice pro zkušeného uživatele vhodnější pro rozlišení různých druhů a stavů vegetačního pokryvu, ale pro nezkušeného uživatele jsou družicová data v nepravých barvách nezvyklá a značně obtížně interpretovatelná. V roce 1993 bylo snímání touto družicí ukončeno. V roce 2001 byla družice vyvedena na odkládací dráhu ve výšce pod 600 km a její výška se nadále brzděním o nejsvrchnější části zemské atmosféry postupně snižuje.

Následující Landsat-5 byl postaven a vybaven stejně, jako předchozí Landsat-4. I on by už měl být dávno odeslán na odpočinek a vypojen. Jeho původně plánovaná životnost byla tři roky, tedy do roku 1987, ale kvůli zničení Landsatu-6 při startu, byla pětka ponechána dále v aktivním provozu, byť už má pro svůj vysoký věk různé vážné technické problémy. První se objevil v roce 2005 (tedy po 11 letech provozu), kdy došlo k selhání servopohonu natáčejícího fotovoltaické panely ke Slunci. Na podzim roku 2011 byly oznámeny proplémy se zesilovačem vedoucí k drastickému snížení přenosové kapacity dat. Snímání dat pak bylo přerušeno a zahájena diagnostika problému. V dubnu 2012 bylo oznámeno úspěšné sejmutí snímku znovu zapnutým senzorem MSS (který byl původně vypnut už v roce 1995) a bylo zahájeno testování snímání senzorem TM. Je ale nepravděpodobné, že by se podařilo obnovit provoz družice v plném rozsahu.

Těžkou ránu utržil projekt v roce 1993, kdy družice Landsat-6, první zástupce třetí generace, nedokázala po startu na nosné raketě Titan II dosáhnout oběžné dráhy a byla zničena. Landsat-6 byl vybaven novým vylepšeným senzorem ETM+ (z angl. Enhanced Thematic Mapper Plus), premiéra tohoto senzoru tak musela počkat celých šest let až na vypuštění dalšího Landsatu.

Vypuštění posledního Landsatu-7 dne 15.dubna 1999 bylo jednoznačným úspěchem a družice Landsat-7 se od svého startu v dubnu 1999 stala pravděpodobně nejznámějším zástupcem družic Landsat. Její data jsou široce dostupná na Internetu, významná část i zcela zdarma. Družice je vybavena senzorem ETM+ (z angl. Enhanced Thematic Mapper Plus), který snímá barevná data v rozlišení 30 metrů v sedmi pásmech a také snímá černobílá panchromatická data v rozlišením 15 metrů. Kvalitní data s přesnou kalibrací navazující na své předchůce, ale zároveň nabízející mnoho navíc, to vše vyvolalo nadšené ohlasy a přitáhlo další zákazníky. Družice fungovala bezchybně až do května 2003, kdy došlo k závadě na součástce kompenzující při snímání pohyb družice. Závada na této součástce SLC (z angl. Scan Line Corrector) způsobila, že po obou stranách snímané scény jsou v pořizovaných datech mezery a bezchybně je nasnímána pouze hruba 1/7 střední části scény.

V současné době se plánuje vypuštění Landsatu-8 označovaného zkratkou LDCM (z angl. Landsat Data Continuity Mission) na 11.únor 2013. Družice nyní podstupuje předstartovní testy. Landsat-8 bude pořizovat data senzorem OLI (z angl. Operational Land Imager) v téměř stejných pásmech jako předchozí senzor ETM+ na družici Landsat-7 a stejném rozlišení 30 metrů pro barevná data a 15 metrů pro černobílá panchromatická data. Došlo pouze k mírné úpravě snímaného rozsahu vlnových délek v pásmech, kde dochází ke zvýšené atmosférické absorpci. Ve výsledku by tak mělo být dosaženo ještě příznivějšího poměru signál/šum. Navíc byly přidány dva nové kanály. První, tzv. pobřežní a aerosolový (angl. Coastal/Aerosol), snímající vlnové délky kratší než současný modrý kanál, by přidán především pro studium mořských a oceánských vod, ke kterému se zatím používaly data z jiných družic vybavených senzory MODIS a SeaWiFS, jejichž rozlišení je ale přinejlepším několik set metrů. Další nový kanál u senzoru OLI na budoucím Landsatu-8 je označován jako Cirrus a měl by sloužit k detekci jemné oblačnosti a umožnit tak odstranění jejího vlivu na snímaná data. Termální budou snímána senzorem TIRS ve dvou pásmech vlnových délek a v rozlišení 100 metrů.

Agentura NASA je a v budoucnosti nadále bude pod tlakem odborné veřejnosti, aby se pokračovalo ve vypouštění družic této řady. Přestože dnes už jiné družice pořizují a komerčně nabízejí data o mnohem vyšším rozlišení, nyní běžně i 0.5 metru, jsou data pořizovaná desítky let družicemi Landsat unikátní svou stejnorodostí. Kromě mnoha dalších aplikací jsou používána pro dlouhodobé sledování změn zemského pokryvu a využití půdy. Pro objektivní sledování změn a dlouhodobých trendů je nutné, aby data byla pořízena co nepodobnějšími přístroji a za co nejpodobnějších podmínek, jinak dochází ke zkreslení výsledků. Vzít si aktuální a desítky let stará data a porovnávat je ve stejné kombinaci obrazových kanálů snímajících prakticky tytéž vlnové délky umožňují pouze data z družic Landsat. Jejich globální, dlouhodobé a opakované snímání povrchu Země vede k vytváření unikátní dokumentační databáze planety, věrně zachycující její vývoj v desetiletích přelomu 20. a 21. století.

 

nahoru

zpět