Самый большой в мире космический радар будет измерять леса Земли с орбиты

Леса являются вторым по величине поглотителем углерода на планете после океанов. Чтобы точно понять, сколько углерода они улавливают, Европейское космическое агентство и Airbus построили спутник под названием Biomass, который будет использовать давно запрещенный диапазон радиоспектра, чтобы заглянуть под верхушки деревьев по всему миру. Он стартует из Французской Гвианы в конце апреля и будет иметь самый большой космический радар в истории, хотя вскоре его свяжет на орбите американо-индийский спутник визуализации NISAR , запуск которого запланирован на конец этого года.

Примерно половина сухой массы дерева состоит из углерода, поэтому, получив хорошее измерение веса леса, можно узнать, сколько углекислого газа он забирает из атмосферы. Но у ученых нет способа измерить эту массу напрямую.

«Чтобы измерить биомассу, нужно срубить дерево и взвесить его, поэтому мы используем косвенные системы измерения», — говорит Клаус Шипаль, менеджер миссии по биомассе.

Эти косвенные системы полагаются на комбинацию полевого отбора проб — лесники бродят среди деревьев, чтобы измерить их высоту и диаметр — и технологий дистанционного зондирования, таких как лидарные сканеры, которые можно пролетать над лесами на самолетах или беспилотниках и использовать для измерения высоты верхушек деревьев вдоль линий полета. Этот подход хорошо зарекомендовал себя в Северной Америке и Европе, где действуют хорошо налаженные системы управления лесами. «Люди знают каждое дерево там, проводят множество измерений», — говорит Сципал.

Но большинство деревьев в мире находятся в менее картографированных местах, таких как джунгли Амазонки, где менее 20% леса было глубоко изучено на земле. Чтобы получить представление о биомассе в этих отдаленных, в основном недоступных районах, космическое зондирование леса является единственным возможным вариантом. Проблема в том, что спутники, которые сейчас находятся на орбите, не оснащены оборудованием для мониторинга деревьев.

Тропические леса из космоса выглядят как зеленые плюшевые ковры, потому что мы видим только верхушки деревьев; на таких снимках мы не можем сказать, насколько деревья высокие или толстые. Наши радары на спутниках, таких как Sentinel 1, используют короткие радиоволны, например, в диапазоне C, которые попадают в диапазон от 3,9 до 7,5 сантиметров. Они отражаются от листьев и более мелких веток и не могут проникнуть в лес до самой земли.

Вот почему для миссии Biomass ESA выбрало радар P-диапазона. Радиоволны P-диапазона, длина волны которых примерно в 10 раз больше, могут видеть более крупные ветви и стволы деревьев, где хранится большая часть их массы. Но установить радар P-диапазона на спутник непросто. Первая проблема — размер.

«Радиолокационные системы масштабируются с длиной волны — чем длиннее длина волны, тем больше должны быть ваши антенны. Вам нужны более крупные структуры», — говорит Сципал. Чтобы позволить ему нести радар P-диапазона, инженерам Airbus пришлось сделать спутник Biomass шириной два метра, толщиной два метра и высотой четыре метра. Антенна для радара имеет диаметр 12 метров. Она установлена ​​на длинной многошарнирной стреле, и инженерам Airbus пришлось сложить ее как гигантский зонтик, чтобы поместить ее в ракету Vega C, которая выведет ее на орбиту. Одна только процедура развертывания займет несколько дней, как только спутник попадет в космос.

Однако размер — это всего лишь одна из причин, по которой мы обычно избегаем отправлять радары P-диапазона в космос. Эксплуатация таких радиолокационных систем в космосе запрещена правилами Международного союза электросвязи, и на то есть веская причина: помехи.

«Основное распределение частот в диапазоне P предназначено для огромных SOTR [радаров слежения за одним объектом], которые американцы используют для обнаружения приближающихся межконтинентальных баллистических ракет. Это, конечно, было проблемой для нас», — говорит Сципал. Чтобы получить освобождение от запрета на космические радары P-диапазона, ЕКА пришлось согласиться на несколько ограничений, самым болезненным из которых было отключение радара Biomass над Северной Америкой и Европой, чтобы не мешать покрытию SOTR.

«Это было жаль. Это европейская миссия, поэтому мы хотели провести наблюдения в Европе», — говорит Сципал. Однако остальной мир — это честная игра.

Миссия Biomass рассчитана на пять лет. Калибровка радара и других систем займет первые пять месяцев. После этого Biomass войдет в фазу томографии, собирая данные для создания подробных карт биомассы лесов в Индии, Австралии, Сибири, Южной Америке, Африке — везде, кроме Северной Америки и Европы. «Томография будет работать как КТ в больнице. Мы будем делать снимки каждой области с разных позиций и создавать трехмерную карту лесов», — говорит Сципал.

Ожидается, что для полного глобального покрытия потребуется 18 месяцев. Затем, на оставшуюся часть миссии, Biomass перейдет на другой метод измерения, снимая одну полную глобальную карту каждые девять месяцев, чтобы измерить, как состояние наших лесов меняется с течением времени.

«Научная цель здесь — по-настоящему понять роль лесов в глобальном цикле углерода. Основной интерес представляют тропики, поскольку это самый густой лес, который находится под наибольшей угрозой вырубки лесов и о котором мы знаем меньше всего», — говорит Сципал.

Biomass предоставит 3D-карты с разрешением в гектарах этих тропических лесов, включая все, от высоты деревьев до рельефа земли — то, чего у нас никогда не было раньше. Но есть пределы тому, что он может сделать.

«Один из недостатков заключается в том, что мы не получим представление о сезонных отклонениях в лесу в течение года из-за времени, которое требуется Biomass для глобального охвата», — говорит Ирена Хайнсек, профессор наблюдения за Землей в ETH Zurich, которая не участвует в миссии Biomass. И Biomass все еще оставит некоторые из наших вопросов о поглотителях углерода без ответа.

«Во всех наших оценках изменения климата мы знаем, сколько углерода находится в атмосфере, но мы не так много знаем о том, сколько углерода хранится на земле», — говорит Хайнсек. Биомасса будет иметь свои ограничения, говорит она, поскольку значительные объемы углерода задерживаются в почве в районах вечной мерзлоты, которые миссия не сможет измерить.

«Но мы узнаем, сколько углерода хранится в лесах, а также сколько его высвобождается из-за таких нарушений, как вырубка лесов или пожары», — говорит она. «И это будет огромным вкладом».