Pomiar wilgotności gleby z odległości 685 kilometrów?

Tak w telegraficznym skrócie można opisać misję satelitarną o akronimie SMAP (Soil Moisture Active Passive), która została wystrzelona na orbitę przez NASA w styczniu 2015 roku za skromne 916 milionów dolarów. Niestety po pół roku częściowo się popsuła, ale nadal robi wrażenie!

Wyznacz wilgotność ziemi, tej ziemi

Do naziemnych pomiarów gleby wykorzystuje się całą paletę pomiarów, których cechą wspólną jest działanie in situ, czyli staję w gumiakach na polu i TUTAJ wbijam coś w glebę w danym miejscu. Rzut oka na kilka przykładów pokazuje, że technik jest sporo: możemy mieć pod ziemią zakopaną metalową rurkę z wodą, która posiada ceramiczną końcówkę – i jeśli zawartość wody w glebie spada, to woda z rurki przesącza się do gleby, przez co manometr w rurce wskazuje spadek jej ciśnienia, możemy więc ocenić nie tyle, ile wody jest w glebie, ale jaki jest jej „potencjał wodny”, czyli jak trudno jest roślinom zassać tę wodę. Możemy korzystać też z metod elektronicznych, mierząc zmianę oporności elektrycznej: gleba z wodą przewodzi prąd lepiej niż gleba sucha, ale myśląc o potencjale wodnym działamy na odwrót – zakopujemy w ziemi gipsowy bloczek, w którym zatopione są elektrody – jak bloczek nasiąknie wodą z gleby, to oporność wzrośnie.

Jeśli chcemy faktycznie mierzyć wilgotność to możemy to zrobić bezpośrednią, czasochłonną metodą: pobrać próbkę gleby, zważyć ją, wrzucić na laboratoryjną suszarkę, ważyć ją cały czas i obserwować jak w miarę odparowywania wody zmniejsza się jej masa, a gdy masa się ustabilizuje – porównać masę końcową z masą początkową i mamy wynik. Żmudne. Ale możemy też korzystać z sond pojemnościowych – mierząc przenikalność elektryczną gleby. Tu przypomina się szkolne zagadnienie kondensatora – dwóch połączonych ze sobą przewodzących płytek w pewnej odległości od siebie, która decyduje o ich pojemności – a to czy między nimi jest powietrze czy jakiś izolator (dielektryk) zmienia tężę pojemność. Czyli „pyk” w ziemię dwa bolce, gleba z wodą staje się dielektrykiem między okładkami kondensatora, a z pomiaru pojemności wiemy jaka jest wartość przenikalności elektrycznej próbki, a stąd wiemy ile jest wody w glebie. Można też korzystać z faktu, że neutrony świetnie rozpraszają się na wodzie, więc zakopanie pod ziemią rury, przeciągnięcie przez nią źródła neutronów i mierzenie stopnia osłabienia strumienia neutronów, da nam informację o wilgotności gleby.

Sporo tych metod? Tak, ale nic w tym dziwnego, bo wilgotność gleby to absolutnie podstawowa informacja w rolnictwie, decydująca o tym czy czas nawadniać pole! Szczególnie, jeśli mamy suszę i niedobory wody do nawadniania, to wybór najbardziej potrzebującego fragmentu pola nabiera większego znaczenia. Na zaawansowanej farmie systemy nawadniania automatycznie włączane są poprzez systemy pomiarowe (a są i te naziemne, i powietrzne, gdzie drony latają nad polami mapując ich wilgotność!). Niestety wspólną wadą wszystkiego, co napisano powyżej, jest lokalność tego pomiaru – faktycznie potrzeba fizycznego kontaktu z tą glebą. To jak tu zarządzać suszą z poziomu kraju? Jak mieć dokładną mapę wilgotności obejmującą tysiące kilometrów kwadratowych? Odpowiedź: satelitarnie!

Mikrofalami z orbity

Wcześniej pojawiło się już hasło przenikalności elektrycznej – rzecz w tym, że różne substancje ze względu na swoją budową (dipole w środku?) różnie zachowują się w polu elektrycznym. Przez próżnię (względna przenikalność elektryczna = 1) – fale elektromagnetyczne propagują bez przeszkód, ale woda (względna przenikalność elektryczna ≈80) – fale po pierwsze nieźle tłumi, po drugie: polaryzuje tę odbitą część. Metoda pomiaru nasuwa się sama – wyślijmy na orbitę radar emitujący mikrofale, patrzmy, jak zmienia się natężenie odbitej od Ziemi wiązki i mierzmy jej polaryzację. Tak też uczyniono i w 2015 roku na orbicie znalazła się misja SMAP z dwoma głównymi instrumentami: rozkładaną anteną o średnicy 6 metrów odbierającą fale radiowe na potrzeby pracy radaru i radiometru. Sama antena obraca się prawie piętnaście razy na minutę po kątem 40° do osi łączącej ją z ziemią, czyli tzw. nadir – przez co dokonuje stożkowego skanowania dużego terenu poniżej, o szerokości około 1000 kilometrów. (patrz obrazek)

Oba urządzenia zaprojektowano do pracy w tak zwanym paśmie L, czyli fragmencie widma elektromagnetycznego z zakresu 1-2 GHz, a dokładniej mówiąc radar nadawał i odbierał na częstotliwości 1,2 GHz, a radiometr odbiera na 1,41 GHz. Czas przeszły użyty jest nieprzypadkowo – niestety radar satelity wystrzelonej w styczniu w lipcu przestał już nadawać. Według analiz, problem pojawił się na wzmacniaczu, który dostarczał dużej mocy do nadajnika mikrofal. Niestety nie udało się go odratować i misja jest kontynuowana na samym radiometrze. Ale zaraz, jak to? Co on właściwie mierzy, skoro już nie ma nadajnika mikrofal? Otóż mikrofale – tyle, że te naturalnie emitowane przez Ziemię. Ot takie przypomnienie, że pól elektromagnetycznych, w tym mikrofal, to my nie wymyśliliśmy, tylko je odkryliśmy. Niestety rozdzielczość przestrzenna radiometru jest dużo mniejsza niż radaru, bo wynoszą odpowiednio około 40km i 6km, czyli takiej wielkości „piksele” widzimy w pomiarach. Nadal jest to użyteczne dla rolnictwa oraz w badaniach klimatycznych:

Europejczycy nie gęsi i swoje satelity mają

Żeby nie było, że cudze chwalą, a swojego nie znają, to należy dodać, że misja SMAP wzorowała się na amerykańskich i europejskich poprzednikach. Na szczególną uwagę zasługuje misja Europejskiej Agencji Kosmicznej SMOS – Soil Moistrure and Ocean Salinity, która wystartowała w listopadzie 2009 roku, z urządzeniem MIRAS, czyli Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis, na pokładzie. No proszę, to nie amerykańscy naukowcy wymyślili, żeby korzystać z naturalnej emisji mikrofal przez Ziemię w paśmie L i na podstawie zmian w ich polaryzacji oceniać wilgotność gleb i zasolenie oceanów! Ale że misja NASA była o dekadę młodsza, to i parametry były lepsze: obie misje mogły mierzyć wilgotność do kilku centymetrów w głąb gleby, ale SMOS dostarczał danych z rozdzielczością do 50km, a nie jak planowane 6km w SMAP.

„Europejscy naukowcy” opracowali też system dronów latających na niskich wysokościach i mierzących wilgotność gleby bazując na sygnale GPS odbitym od powierzchni, a na sieć satelitów ESA badających klimat i pogodę składają się dziesiątki projektów – ale o tym wszystkim napiszemy niebawem! 🙂