W środowisku technologicznym, w którym zmiany klimatyczne stają się coraz bardziej widoczne, misje obserwacji Ziemi zyskują na znaczeniu. W tym kontekście najnowszy projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) – misja HydroGNSS – szybko wkracza w końcowe fazy przed startem. Obecnie znajdują się w Kalifornii, gotowe do ostatecznych procedur przed wzlotem na orbitę.
Czym jest HydroGNSS i dlaczego jest ważny
Misja HydroGNSS (Hydrological GNSS Reflectometry) jest częścią programu ESA FutureEO, w ramach którego zdefiniowano kategorię misji „Scout” — szybkich, zwinnych i stosunkowo tanich kampanii satelitarnych, których celem jest demonstracja nowych metod i technologii obserwacji Ziemi. Misje Scout są zaprojektowane tak, aby w krótkim czasie (około trzech lat) przynosiły wyniki naukowe przy ograniczonym budżecie.
Start misji HydroGNSS planowany jest na koniec 2025 roku, a jej celem jest uzupełnienie i połączenie danych z istniejących misji, takich jak SMOS ESA czy nadchodząca misja Biomass.
Ramy techniczne: dwa mikrosatelity i reflektometria GNSS
W przeciwieństwie do klasycznych instrumentów satelitarnych, HydroGNSS wykorzystuje metodę znaną jako reflektometria GNSS (GNSS-R). Technika ta wykorzystuje sygnały nawigacyjne, które globalne systemy nawigacji satelitarnej (takie jak Galileo i GPS) emitują w kierunku Ziemi — ale nie tylko odbiera sygnały bezpośrednie, ale także te odbite od powierzchni Ziemi. Analizując różnice między sygnałem bezpośrednim a odbitym, można wyciągnąć kluczowe wnioski na temat właściwości gleby, roślinności, wód, lodu i biomasy.
HydroGNSS będzie wykorzystywać dwa identyczne mikrosatelity, umieszczone na orbicie o wysokości ~500–600 km, rozmieszczone w odległości 180° od siebie w celu poprawy częstotliwości czasowej powrotu danych. Każdy satelita waży około 65 kg i ma wymiary około 50 × 50 × 70 cm.
Zasada działania jest następująca: satelity nawigacyjne GNSS nieustannie emitują sygnały mikrofalowe w paśmie L skierowane na powierzchnię Ziemi. Część tych sygnałów dociera bezpośrednio do odbiornika na satelicie, podczas gdy druga część odbija się od powierzchni Ziemi i jest później odbierana jako sygnał odbity. Zmiany w sygnale odbitym (w fazie, sile, polaryzacji) niosą informacje o fizycznych właściwościach powierzchni — wilgotności gleby, roślinności, zbiornikach wodnych, stanie zamarzania/rozmarzania oraz biomasie nadziemnej.
Docelowe zmienne klimatyczne i zastosowanie naukowe
Głównym zadaniem misji HydroGNSS jest pomiar kilku kluczowych zmiennych, które są częścią tzw. Essential Climate Variables (ECV), zdefiniowanych przez Global Climate Observing System (GCOS). Są to:
- Wilgotność gleby (soil moisture)
- Obszary zalewowe i tereny podmokłe (inundation / wetlands)
- Stan zamarzania/rozmarzania (freeze/thaw) – szczególnie nad wieczną zmarzliną
- Biomasa nadziemna (above-ground biomass)
Dodatkowo, misja będzie monitorować jako produkty wtórne prędkość wiatru nad oceanami oraz zasięg przestrzenny lodu morskiego.
Dane o wilgotności gleby z kosmosu są niezwykle istotne dla meteorologii, prognozowania powodzi i susz, zarządzania zasobami wodnymi, rolnictwa, modelowania zmian klimatycznych, a także do monitorowania wiecznej zmarzliny i stanu roślinności. Biomasa mierzy, ile materii organicznej znajduje się nad ziemią — to kluczowy parametr do zrozumienia globalnego obiegu węgla, monitorowania zasobów leśnych oraz oceny ryzyka pożarów lasów.
Obecny status: zatwierdzenie, testy, dopuszczenie do lotu
Do września 2025 roku misja HydroGNSS przeszła znaczący kamień milowy — Flight Acceptance Review (FAR). Ten końcowy zestaw testów potwierdza, że satelity są gotowe do transportu na miejsce startu i do startu oraz spełniają wszystkie wymagania techniczne, bezpieczeństwa i misji. Obecnie znajduje się w obiektach Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) w Wielkiej Brytanii, gdzie przeprowadzono czyszczenie w pomieszczeniach czystych i końcowe kontrole.
Według najnowszych informacji planuje się przetransportowanie satelitów do Kalifornii w celu umieszczenia ich na platformie startowej, po czym oczekuje się startu w czwartym kwartale 2025 roku przy użyciu rakiety Falcon 9.
Warto zauważyć, że pierwotnie misja była planowana z jednym satelitą, jednak w trakcie rozwoju zdecydowano o budowie dwóch identycznych satelitów, aby zwiększyć częstotliwość pokrycia i efektywność naukową. Chodzi o to, aby podwójna konstelacja skróciła czas między ponownymi pomiarami tej samej lokalizacji o prawie połowę.
Koncepcje szybkich (zwinnych) misji i rola programu Scout
Misje Scout, takie jak HydroGNSS, są pomyślane jako komplementarny segment tradycyjnych misji badawczych (np. Earth Explorer). Starają się wprowadzić innowacje i elastyczność poprzez mniejsze satelity, niższe koszty (< ~ 35 mln euro) i krótszy cykl rozwojowy (~3 lata).
W kontekście programu Obserwacji Ziemi ESA, misje Scout służą do testowania nowych technik — takich jak reflektometria GNSS — i badania ich praktycznej użyteczności w codziennej obserwacji satelitarnej. HydroGNSS jest pierwszą z trzech planowanych misji Scout, co stanowi fundament dla przyszłych podejść w obserwacji klimatu i hydrologii.
Dzięki swojej zwinności i innowacyjności misja może otworzyć drogę dla niskobudżetowych, powtarzalnych sieci satelitarnych, które w przyszłości mogłyby dostarczać ciągłych danych do monitorowania klimatu, wody i roślinności — bez dużych kosztów i długich terminów rozwoju.
Wyzwania technologiczne i oczekiwany wpływ
Chociaż reflektometria GNSS ma duży potencjał, nie jest pozbawiona wyzwań. Na przykład sygnały są bardzo słabe i trudno je odróżnić od szumu tła. Wymagane są zaawansowane techniki przetwarzania sygnałów, korekty polaryzacji, pomiary wieloczęstotliwościowe i modele inwersji, które bezpośrednio przekształcają odbicia w parametry fizyczne (np. wilgotność gleby).
Ponadto, w przypadku danych o biomasie, misja będzie próbowała rozróżnić składniki roślinności — liście, gałęzie i pnie — na podstawie sposobu, w jaki sygnał jest odbijany i traci energię przechodząc przez warstwy roślinności. Wymaga to modeli, które łączą cechy strukturalne lasu z mierzalnymi sygnałami.
W końcowej fazie wyniki misji mogą znacznie ulepszyć modele systemu ziemskiego (Earth system models), ponieważ zaoferują dane o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej dla kluczowych zmiennych hydrosfery i biosfery. W obszarach wrażliwych na ekstremalne zjawiska klimatyczne — takie jak susze, powodzie, zmiany reżimów wodnych — takie dane mogą okazać się bardzo cenne dla zgłaszania i zapobiegania ryzyku.
Ponadto HydroGNSS jest modelem projektowym zrównoważonego rozwoju — opracowanym przy stosunkowo niewielkim budżecie, z satelitami o małej masie i modułowej konstrukcji, w celu wykazania, że wartościowe naukowo misje nie muszą polegać wyłącznie na dużych programach kosmicznych.
Gdzie dostarczy bardzo potrzebnych danych – w czasie przełomu
Jednym z kluczowych powodów uruchomienia misji właśnie teraz jest fakt, że komplementarne misje, które do tej pory dostarczały dane o wilgotności gleby, takie jak SMOS ESA czy SMAP NASA, powoli zbliżają się do końca swojego okresu eksploatacji. HydroGNSS ma potencjał, aby przejąć ich rolę i zapewnić ciągłość danych.
Ponadto HydroGNSS wzmocni dane o biomasie w stosunku do misji Biomass, obejmując obszary poza zasięgiem operacyjnym tej misji i umożliwiając szybsze ponowne pomiary oraz wykrywanie zmian w roślinności.
Droga do startu i co dalej
Po przejściu przez satelity Przeglądu Dopuszczenia do Lotu (FAR) — co jest ostatecznym sprawdzeniem ich gotowości do startu — następnym krokiem jest transport na miejsce startu w Kalifornii, integracja z rakietą i przygotowania do startu.
Rakieta Falcon 9, którą planują wykorzystać do startu, zrealizowała dotychczas liczne misje i jest uważana za niezawodną opcję do umieszczania satelitów na orbicie. Plan zakłada, że satelity wystartują razem jako mała para konstelacyjna.
Po umieszczeniu na orbicie nastąpi faza początkowej pracy (`commissioning`), kalibracja instrumentów i testowanie systemów. Wtedy rozpoczną się codzienne pomiary operacyjne i przesyłanie danych na Ziemię, gdzie zaawansowane algorytmy będą przetwarzać odbite sygnały na użyteczne parametry geofizyczne.
Misja HydroGNSS jest — pomimo swojej stosunkowo "małej" skali — dużym krokiem naprzód w rozwoju technologii kosmicznej do zastosowań klimatycznych i hydrograficznych. Jeśli zostanie zrealizowana zgodnie z planem, może stać się kluczowym elementem globalnej sieci do monitorowania wilgotności gleby, cykli hydrologicznych i stanu roślinności — w czasach, gdy takie ciągłe monitorowanie jest niezbędne.
Czas utworzenia: 30 września, 2025