Translated by Marina Agarkova

Введение

Отправляясь в новое приключение, ученые используют небольшие спутники под названием CubeSats для изучения тайн воды на Земле. Эти спутники могут помочь нам узнать больше об океанах, озерах и реках. Вода поддерживает все формы жизни, но несмотря на то, что она является неотъемлемой частью нашего существования, мы мало знаем о ее сложной динамике. Именно здесь вступает в игру сотрудничество между космическими технологиями и исследованиями в области водных ресурсов. CubeSats дают возможность оценить речной сток с помощью дистанционного зондирования, обеспечивая ежедневный мониторинг в масштабе подводосбора, тем самым улучшая управление водными ресурсами и исследования (Junqueira et al. 2021). Например, они позволяют производить ежедневные оценки испарения с высоким разрешением для сельскохозяйственных полей, улучшая управление водными ресурсами и принятие сельскохозяйственных решений благодаря революционным возможностям наблюдения Земли (Aragon et al. 2021).

Миссии CubeSat для исследования воды

В эпоху, когда инновации не имеют границ, проект под названием Seahawk, миссия CubeSat, разработанная Университетом Северной Каролины в Уилмингтоне (UNCW) в сотрудничестве с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Cloudland instruments и AAC Clyde Space, демонстрирует роль CubeSats в наших водных экосистемах (Smith, 2021).

«Наша цель с самого начала заключалась в том, чтобы интегрировать эту миссию в инфраструктуру, которую мы построили за последние 25 лет для поддержки спутников, которые определяют цвет океана, и продемонстрировать, что CubeSat можно рассматривать как обычную, заслуживающую доверия научной миссии. Мы и представить себе не могли, что этот маленький спутник все еще будет работать через три года, не говоря уже о том, что он будет демонстрировать новые возможности, которые трудно было предположить на стадии разработки. А, поскольку они небольшие и недорогие, будет гораздо легче переформатировать их в серии второго и третьего поколения CubeSats, чтобы воспользоваться полученными знаниями», — Джин Фельдман, океанолог NASA (Smith, 2021)

SeaHawk CubeSat — это компактный 3U CubeSat, размером 30 x 10 x 10 см и весом около 5 кг (Smith, 2021). Этот миниатюрный спутник предназначен для встроенного в него HawkEye Ocean Color Imager и работает на низкой околоземной орбите. Программа SeaHawk представляет собой скачок вперед в области наблюдения за цветом океана. Процесс отслеживания цвета океана дает представление о морских экосистемах, климатических процессах и прибрежной среде.

Запущенный 3 декабря 2018 года, SeaHawk CubeSat оснащен прибором HawkEye. Это мультиспектральный сканер, определяющий цвет океана, находящийся на высоте 540 км и с разрешением 120 м (Schueler and Holmes, 2016). Разрешение CubeSat выше, чем у других спутников, определяющих цвет океана, таких как Ocean and Land Colour Imager (OLCI) на борту Sentinel-2 с пространственным разрешением 300 м и Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) на борту NOAA-20 с пространственным разрешением 375 м (WMO Oscar, 2023), что позволяет наблюдать за особенностями и процессами. На рисунке 1 изображены снимки с высоким разрешением, которые может создать CubeSat.

Запустив SeaHawk вместе с 64 другими спутниками один за другим, программа показывает, что малоразмерные спутники могут быть более экономичным вариантом. Обычные спутники часто дорого стоят, что затрудняет непрерывный мониторинг воды. В этой программе они использовали группировку небольшого размера CubeSats, которые были экономичнее, чем большего размера спутники, и сделали ее более доступной (Smith, 2021).

Программа представляет собой историю успеха, демонстрирующую эффективность и ценность технологии CubeSat в продвижении исследования воды, особенно в наблюдении за цветом океана. Эта инициатива продемонстрировала, как CubeSats может произвести революцию в области водных исследований, обеспечивая высокого разрешения, экономически эффективный и непрерывный мониторинг водной среды Земли. Развертывая несколько CubeSats в скоординированных созвездиях, можно достичь более широкого и всестороннего охвата водной среды Земли. Такой подход также сокращает время повторного посещения и позволяет чаще собирать данные для своевременного и точного мониторинга.

Тем не менее, крайне важно устранить определенные ограничения и рассмотреть области для улучшения. Одна из задач заключается в достижении очень высокого пространственного разрешения. Возможность получения изображений с чрезвычайно высоким разрешением имеет важное значение для комплексного мониторинга воды, особенно в районах, где небольшие водоемы, часто шириной всего в несколько метров, играют значительную экологическую роль.

Аналогичное исследование с участием CubeSats под названием «Динамика арктических и бореальных озер была раскрыта с использованием изображений CubeSat», в котором ученые приступили к миссии по раскрытию тайн тысяч небольших озер на севере Канады и Аляски летом 2017 года. Более 150 CubeSats образовали сеть, проводя ежедневные наблюдения за более чем 85000 озер (Cooley et al. 2019). Эта миссия зафиксировала небольшие по масштабу, краткосрочные изменения уровня воды в озерах, показывая непредвиденную изменчивость. Она обеспечила снимки с высоким разрешением около 3 метров. Однако данные CubeSat ставят новые задачи. Данные о местоположении с CubeSats менее точны, чем со спутников космических агентств. Кроме того, на изображениях CubeSat отсутствуют фильтры для более легкого анализа, в отличие от спутниковых данных NASA или Европейского космического агентства (ESA), которые фильтруются для удаления снимков, сделанных в пасмурные или неблагоприятные дни (Stacey, 2019).

В исследовании использовались снимки CubeSats, сделанные компанией Planet Labs, которые показали, что наблюдаемые озера были гораздо более динамичными, чем считалось ранее. Береговые линии смещались, озера расширялись и сжимались, и сотни квадратных километров озерной территории претерпевали изменения в течение одного сезона. Древний Канадский щит, являющийся пересеченной местностью, охватывающую центральную Канаду, оказался особенно динамичным (Stacey, 2019).

Благодаря CubeSats, инновационным алгоритмам и преданным своему делу исследователям мониторинг арктических и субарктических озер может привести к важным выводам о сохранении хрупких экосистем нашей планеты перед лицом изменения климата. На рисунке 2 показаны изображения, сделанные частным оператором CubeSats под названием Planet Labs. Эти данные CubeSat сыграли важную роль в исследовательском проекте под руководством Сары Кули, который отслеживал быстрые изменения в озерах в различных северных районах и предоставил ценную информацию о динамике водных поверхностей в арктических и бореальных регионах Аляски и Канады.

Миссия SeaHawk, оснащенная HawkEye Ocean Color Imager, предназначена для продвижения исследований воды, особенно в области наблюдения за цветом океана, в то время как исследование Сары Кули с использованием CubeSats было направлено на изучение динамики воды в тысячах небольших озер на севере Канады и Аляски. Исследование было сосредоточено на изменчивости уровней воды в этих озерах в течение лета с использованием сети CubeSats для фиксации небольших по масштабу и краткосрочных изменений уровня воды.

Трудности

Существуют задачи и опасения, которые необходимо решать. Большой объем данных, получаемых от CubeSats, требует развития надежных конвейеров обработки данных и эффективных алгоритмов, которые могут раскрыть ценную информацию. Кроме того, обеспечение безопасности и конфиденциальности имеет важное значение в сценариях, когда закрытые зоны находятся под наблюдением. Кроме того, по мере увеличения масштаба внедрения CubeSats возрастает обеспокоенность по поводу космического мусора, что подчеркивает важность рассмотрения надлежащих методов утилизации по истечении срока службы для обеспечения долгосрочной устойчивости космоса.

Заключение

CubeSats произвели революцию в исследованиях воды. Их экономическая эффективность позволяет осуществлять непрерывный мониторинг воды. Несмотря на то, что CubeSats имеют множество преимуществ, существуют трудности, такие как обработка большого объема данных, обеспечение безопасности и борьба с космическим мусором.

Заглядывая в будущее, можно сказать, что CubeSats со специальными датчиками могут сыграть решающую роль в реагировании на стихийные бедствия, обнаружении загрязнения, изучении динамики поверхностных вод и образования. CubeSats со специализированными датчиками можно применять в водосборных бассейнах и водохранилищах для отслеживания качества воды, температуры и загрязнения. Эта информация помогает специалистам по водоснабжению принимать разумные решения в отношении очистки и распределения воды, а также обеспечения ее безопасности для населения. Во время стихийных бедствий, таких как ураганы или наводнения, CubeSats могут облегчить оценку ущерба и помочь отслеживать возможные экологические проблемы. Эти данные позволяют командам реагирования на стихийные бедствия координировать помощь и определять, где сосредоточить ресурсы. CubeSats также могут помочь обнаружить разливы нефти и загрязнения в водоемах на ранней стадии.

Использование данных и изображений CubeSat в образовании может вдохновить следующую группу ученых, инженеров и людей, которые заботятся об окружающей среде. Студенты могут узнать о том, как CubeSats используются в реальной жизни для изучения воды, сочетая освоение космоса и заботу об окружающей среде. Чтобы узнать больше о CubeSats, мы рекомендуем KiboCube academy.