Niemal równo 50 lat temu, dokładnie 23 lipca 1972 roku, został wystrzelony na orbitę okołoziemską satelita geofizyczny Landsat 1, który zrewolucjonizował sposób w jaki postrzegamy naszą planetę. Wartość naukowa wykonywanych przez niego zdjęć okazała się być tak wysoka, że doczekaliśmy się już 9 generacji (ostatni wystrzelony 27 września 2021 r.), a planowane są następne (dziesiąta generacja będzie nazywać się Landsat Next). Kolejne dekady, a szczególnie ostatnia, to także kolejne serie satelitów obserwujących Ziemię. Dzięki całej flocie satelitów, zarówno tych historycznych, jak i obecnie funkcjonujących, możemy w obiektywny sposób uwiecznić zmiany powierzchni Ziemi, wywołane m.in. zmianą klimatu. 

Satelity geofizyczne rejestrują obraz powierzchni Ziemi w ujęciu globalnym, w różnych zakresach widmowych, czyli korzystając z promieniowania o różnych długościach fali – oprócz światła widzialnego także w nadfiolecie, podczerwieni czy mikrofalach. Współcześnie mogą monitorować m.in. pokrywę śniegu, grubość optyczną aerozoli, wegetację, temperaturę powierzchni Ziemi, a nawet pożary (zobacz np. Global Maps/NASA). Jedną z zalet obserwacji satelitarnych jest możliwość regularnego, przez wiele lat (a wziąwszy pod uwagę kolejne generacje satelitów nawet przez dziesiątki lat) wykonywania zdjęć tego samego obszaru o dużej powierzchni. Dzięki temu można dostrzec zarówno trendy wieloletnie, jak i wydarzenia nagłe (zobacz np. Satelity na tropie niezadeklarowanych emisji metanu, Erupcja Hunga Tonga – atmosferyczne tsunami).

Zdjęcie przedstawia satelitarny obraz Dallas-Fort Worth w Teksasie. Większa część obrazu jest jasno różowa, widać małe obszary ciemnej czerwieni, niektóre obszary są zupełnie białe. Widać również jeziora i rzeki.
Ilustracja 1: Jedno z pierwszych zdjęć, wykonanych przez satelitę Landsat 1, przedstawiające Dallas-Fort Worth w Teksasie. Barwy w obrazie są sztucznie wygenerowane na podstawie rejestracji w świetle widzialnym i podczerwieni. Odcienie czerwieni wskazują na porośnięty roślinnością ląd, a szarości i biele to powierzchnie miejskie lub skaliste. Źródło: NASA/USGS

Cofające się lodowce

Bardzo wyraźną oznaką antropogenicznej zmiany klimatu jest zmiana zasięgu lodowców. Praktycznie na całym świecie lodowce górskie topnieją. Przykładowo, chilijski lodowiec o technicznej nazwie HPS-12 (Hielo Patagónico Sur 12), znajdujący się w południowej części chilijskich Andów, cofnął się o prawie 13 kilometrów w latach 1985–2018 i stracił więcej niż 30 metrów grubości na końcowym 4-kilometrowym odcinku języka. Porównanie obrazów lodowca, uzyskanych przez satelity Landsat, można zobaczyć w serwisie Earth Obserwatory NASA. Podobny los spotyka także archipelag Svalbard. Globalnie proces topnienia lodowców wywołany antropogeniczną zmianą klimatu powoduje uwolnienie 400 miliardów ton słodkiej wody do oceanów, podnosząc poziom morza (zobacz też Lodowce górskie arktycznej Europy zmierzają ku wyginięciu, ale niektóre mają inne plany, Znikające lodowce tropikalne – dlaczego ich żałujemy?, Jakub Małecki: W Alpach możemy nie mieć lodu za kilkadziesiąt lat). 

Zestawienie dwóch zdjęć satelitarnych przedstawiających zmiany lodowca HPS między 1985 a 2017 rokiem. Zdjęcie po lewej przedstawia lodowiec w 1985 a po prawej w 2017. Lodowiec z 1985 zajmuje zdecydowanie większy obszar niż w 2017. Tam, gdzie w 1985 był lodowiec w 2017 widać jeziora.
Ilustracja 2. Zmiany lodowca HPS-12 pomiędzy 1985 a 2017 r. Czerwona strzałka pokazuje położenie czoła lodowca w 1985 r., zaś żółta – w 2017 r. Fioletowe kropki to dopływy. Źródło: AGU

NASA nie jest jedyną instytucją monitorującą wpływ zmiany klimatu na los lodowców. To ważne zadanie jest wykonywane także przez: World Glacier Monitoring Service (WGMS), działający pod auspicjami m.in. ONZ, oraz Projekt ‘Glaciers’ w ramach Climate Office Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA, Glaciers CCI). Warto odnotować także inne, mniej prestiżowe organizacje, jak np. Global Glacier Initiative, której celem jest fotografowanie z pokładu małego samolotu lodowców w regresji „zanim zanikną”.

Zdjęcie satelitarne lodowca Grand Plateau na Alasce w roku 1984. Widać na nim długi jęzor lodowca, który przechodzi w jezioro
Zdjęcie satelitarne lodowca Grand Plateau w 2019 roku- widoczny na nim jęzor jest zdecydowanie krótszy, natomiast jezioro na jego końcu zdecydowanie większe niż w 1984 roku.
Ilustracja 3: Lodowiec Grand Plateau na Alasce, na górze zdjęcie z 7.09.1984, na dole z 17.09.2019. Zwróć uwagę, jak skróciły się jęzory lodowcowe a rozrosły jeziora przy ich krańcach (w lewej części zdjęcia, na górze i po środku). Różnica w kolorach jezior wynika z różnej ilości okruchów skał, naniesionych do jeziora przez lodowiec. Zdjęcia z satelitów Landsat USGS za serwisem NASA’S Earth Observatory

Powierzchniowe topnienie lodowców i lądolodów

Satelity pomagają nie tylko w śledzeniu skracania się lodowcowych jęzorów, wynikającego z rozgrzewania się terenów lub akwenów, do których sięgają. Zdjęcia satelitarne ułatwiają też monitoring powierzchniowego topnienia lodowców i lądolodów w sezonie letnim. W tym czasie na powierzchni niektórych lodowców temperatury są wystarczająco wysokie, by pojawiała się na nich warstwa wytopionej wody, czasami tworząca nawet całe jeziorka i strumienie. To zjawisko ma spory udział w bardzo szybkiej utracie masy przez Grenlandię (aktualnie tracącej w ciągu roku blisko dwa razy więcej lodu niż Antarktyda). Zasięg powierzchniowego topnienia na Grenlandii można śledzić dzień po dniu dzięki serwisowi Greenland Today National Snow and Ice Data Center.

Ilustracja 4: Zdjęcia Svalbardu wykonane przez satelitę Landsat USGS, 25.07.2022. Dolne zdjęcie pokazuje powiększony fragment górnego, z zaznaczeniem obszarów powierzchniowego topnienia lodowców (na powierzchni lodu pojawiają się ciemnoniebieskie sadzawki wytopionej wody, ang. melt ponds). Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory

Lód morski

Dzięki satelitom (choć nie tylko) wiemy, że drastycznie zmniejsza się powierzchnia lodu morskiego. We wrześniu, gdy powierzchnia lodu osiąga minimum, obserwuje się zasięg lodu na poziomie 40% obserwowanego jeszcze w latach 80. Dane na ten temat mamy praktycznie od lat 60. XX wieku, kiedy na orbicie okołoziemskiej rozpoczęto umieszczanie satelitów projektu Defense Meteorological Satellite Program (DMSP, NOAA) rejestrujących obraz Ziemi w zakresie mikrofalowym, pierwotnie dla celów wojskowych – informacji na temat warunków pogodowych dla wojska. Dzięki opracowanemu wskaźnikowi Sea Ice Index, mamy niezwykłą możliwość precyzyjnego prześledzenia zmiany zasięgu lodu morskiego w Arktyce od ponad 40 lat. Zajmuje się tym m.in. National Snow and Ice Data Center (NSIDC) na Uniwersytecie Colorado Boulder (USA). Dzięki pomiarom wiemy że średni lipcowy zasięg lodu morskiego w Arktyce zmniejszał się o około 7,2% na dekadę (Ilustracja 6).

Szerokie omówienia zagadnień, związanych z lodem arktycznym znajdziecie też na polskojęzycznym blogu Arktyczny Lód.

Ilustracja 5: Codzienny zasięg lodu morskiego w Arktyce (na górze) i na Antarktydzie (na dole). Źródło: NSIDC
Ilustracja 6: Średni miesięczny (lipiec) zasięg arktycznego lodu w latach 1979–2022. Źródło: NSIDC

Pożary i ich zasięg

W wyniku zmiany klimatu, a w szczególności zmiany struktury opadów i coraz poważniejszych suszy, wzrasta ryzyko pożarów. Pojawiają się już teraz niemal co roku w USA, Kanadzie, Australii czy na Syberii, pustosząc ogromne połacie lądu i powodując duże emisje gazów cieplarnianych do atmosfery. Dzięki temu, że satelity okrążają Ziemię nawet kilka razy w ciągu doby, możliwy jest codzienny monitoring pożarów, a także dokumentacja zmian w wyniku spalenia terenu. NASA udostępnia serwis Fire Information for Resource Management System, który zawiera m.in. globalną mapę pożarów, aktualizowaną codziennie (choć możliwe są częstsze aktualizacje). Mapa powstaje na bazie danych z sensorów: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), znajdującego się na pokładzie satelity AQUA (NASA) oraz Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), umieszczonego w satelitach Suomi NPP and NOAA-20. Zobacz też animowaną mapę pokazującą pożary zarejestrowane z użyciem satelitów od marca 2000 r. do dziś, dostępną na stronie NASA’s Earth Observatory.

Ilustracja 7: Zdjęcie satelitarne z Syberii, 17 lipca 2022. Kolory naturalne, czerwonymi kółkami zaznaczono obszary, w których na podstawie danych satelitarnych zidentyfikowano pożary. Zdjęcie opracowane przez NASA’s Earth Observatory
Ilustracja 8: Zobrazowanie satelitarne pokazujące szkody wywołane przez pożar w północnej Kalifornii (przed pożarem 26.07, po pożarze 11.08.2018). UWAGA: zdjęcie nie przedstawia terenu w kolorach rzeczywistych. To nałożone na siebie zdjęcia tego samego terenu wykonane w różnych długościach fali. Przypisano im kolory czerwony, zielony i niebieski (takie kolory wyświetlają piksele standardowych ekranów) w taki sposób, żeby tereny wypalone ogniem (na obrazie czerwone) wyraźnie różniły się od terenów pokrytym żywą roślinnością (jaskrawa zieleń) czy wodą (granatowy, prawie czarny). Zdjęcia z satelity Landsat 8 za serwisem NASA Images of Change i USGS.

Dzięki obserwacjom satelitarnym udało się także opracować metodę oceny jak bardzo będzie intensywny pożar w różnych obszarach leśnych. Wykorzystując zdjęcia satelitarne wykonywane z użyciem promieniowania o różnych długościach fali (światła widzialnego i podczerwieni), można zbadać stan roślinności na wybranym obszarze. Na ich podstawie oblicza się tak zwane wskaźniki wegetacji, które pozwalają oszacować stres wodny u roślin w okresach poprzedzających pożary. Odpowiedniego zestawu danych dostarcza m.in. sensor ECOSTRESS, znajdujący się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 

Ilustracja 9: Sensor VIIRS. Źródło: NESDIS/NOA

Zagrożone ekosystemy

Dzięki podobnym badaniom można identyfikować także konkretne ekosystemy i ich zasięg oraz dokumentować to, jak odbijają się na nich rozmaite zjawiska nasilane przez zmianę klimatu – susze, coraz bardziej niszczycielskie cyklony tropikalne czy upały i zakwaszanie oceanu.

Takimi wrażliwymi ekosystemami są między innymi lasy namorzynowe, porastające słone mokradła na wybrzeżach oceanu w strefie międzyzwrotnikowej. To niezwykle cenne formacje roślinne, chroniące mieszkańców wybrzeży przed sztormami i magazynujące duże ilości węgla. Z ich niszczeniem – podobnie jak w przypadku innych mokradeł – mogą się łączyć duże emisje metanu (czytaj więcej w NASA’s Earth Observatory). Dane z satelitów Landsat zostały ostatnio wykorzystane do globalnego podsumowania zmian w zasięgu przybrzeżnych mokradeł (związanych ze zmianą klimatu ale też z regulacją rzek czy przekształcaniem na ziemię uprawną) od lat dziewięćdziesiątych do dziś Murray i in. (2022)

Ilustracja 10: Mokradła Everglades z zaznaczonym martwym lasem namorzynowym na Cape Sable, na Florydzie. Został on zniszczony przez huragan Irma, który w 2017 r. wepchnął na ląd duże ilości wody morskiej, która później częściowo utknęła w zagłębieniach terenu i nie wróciła od razu do oceanu. Zalane namorzyny umarły w ciągu kilku miesięcy. W związku z rozkładem dużych ilości materii organicznej, ten obszar stał się ostatnio ważnym źródłem metanu, jednego z gazów podgrzewających klimat. Zdjęcie z satelity USGS Landsat z 30 marca 2022 opracowane przez NASA’s Earth Observatory

Obecnie pracuje się także nad metodami wykorzystania satelitów do regularnego śledzenia stanu tropikalnych raf koralowych. Te malownicze ekosystemy są coraz częściej narażone na epizody blaknięcia. Są one powodowane przede wszystkim rosnącymi temperaturami oceanu. Gdy temperatura robi się dla koralowców za wysoka, zaczynają oszczędzać swoje zasoby i przestają utrzymywać kolorowe glony, które normalnie pokrywają ich powierzchnię. Tym samym tracą kolor ale też dostęp do substancji odżywczych produkowanych przez glony w procesie fotosyntezy i umierają. Wielkoobszarowe wyblaknięcie rafy koralowej jest całkiem dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych, jednak wyzwaniem jest wiarygodne przetłumaczenie tego co widać na liczby. Zwłaszcza, że zmianę jasności rafy na zdjęciu mogą spowodować także zmiany w kolorze wody i tego, co w niej ewentualnie pływa (tak jak to było w przypadku jezior na Ilustracji 3).

Ilustracja 11: Zdjęcia satelitarne środkowej części Wielkiej Rafy Koralowej, po lewej 8 czerwca 2016 r. (przed epizodem blaknięcia), po prawej z 23 lutego 2017 r. (w trakcie epizodu). Zdjęcia na dole przedstawiają powiększone fragmenty zdjęć górnych. Źródło: ESA, obrazy z satelity Copernicus Sentinel-2 przygotował J. Hedley.

Zdjęcia i nie tylko

Jak widać, satelity to doskonałe narzędzia, które pomagają nam dokumentować zmiany zachodzące na Ziemi. W niniejszym artykule przedstawiliśmy tylko kilka przykładów ich możliwości i w dodatku ograniczyliśmy się do przyrządów wykonujących coś, co można w uproszczeniu określić mianem “zdjęć”. Tymczasem satelity badawcze często wyposażone są nie tylko w urządzenia przypominające skomplikowane aparaty fotograficzne – rejestrujące docierające do nich ze strony Ziemi światło i fale o innych długościach. Mogą przenosić także satelitarne lidary, radary lub pomysłowe instrumenty badające lokalne zmiany grawitacji (używane np. do sprawdzania zmian masy lądolodów). 

Jeśli chcecie poczytać więcej na ten temat i zobaczyć więcej przykładów zmian na Ziemi, zachęcamy do eksploracji np. z tagiem ‘World of Change’ stron znanych instytucji naukowych, centrów akademickich oraz czasopism naukowych (np. NASA: World of change, Nature: Emerging signals of declining forest resilience under climate change), a także niektórych materiałów prasowych (np. Landsat turns 50: How satellites revolutionized the way we see – and protect – the natural world, How next-gen satellites are transforming our view of climate change, .

Jacek Pniewski, Aleksandra Kardaś

Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.

Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości