لندست چگونه تاریخچه ۵۰ ساله تغییرات سیاره‌ای سوزان را ثبت کرد؟

در ماه می، در ۵۰ کیلومتری شهری در نیومکزیکو که به شکل شومی «Truth or Consequences» [حقیقت یا عواقب] نام‌گذاری شده، آتش‌سوزی بزرگی آغاز شد. آتش‌سوزی‌ای که بعدا با نام «آتش‌سوزی سیاه» شناخته شد، به سرعت گسترش یافت و پهنه‌های عظیمی از جنوب غربی این ایالت را طعمه خود کرد. در اواخر همان ماه، تصاویر ماهواره‌ای به نام لَندسَت ۸، میزان گسترش آن را نشان داد. تصاویری در محدوده‌ی نور مرئی و فروسرخ، مناطق سوخته، نقاط فعال و دود آن‌ها را نشان می‌داد.

تصاویر ماهواره‌ی لندست۸ از آتش‌سوزی سیاه با ترکیب رنگی طبیعی (چپ) و ترکیب رنگی کاذب (راست)

همان‌طورکه احتمالاً حدس می‌زنید، لندست ۸، هشتمین مدارگرد از برنامه ماهواره‌ای است؛ برنامه‌ای که از سال ۱۹۷۲ تاکنون پیوسته از سیاره زمین داده و تصویر گردآوری می‌کند. بایگانی ۵۰ ساله لندست به درک چگونگی تغییر پدیده‌های مختلف، از یخچال‌ها و گونه‌های گیاهی تا شهر‌ها در گذشته و آینده کمک می‌کند.

لندست نخستین ماهواره علمی نبوده است. پیش از آغاز این برنامه، دانشمندان از ماهواره‌ها برای مطالعه آب‌و‌هوا استفاده کرده بودند؛ اما ایده‌ی استفاده از مدارگرد‌ها برای بررسی شرایط سطح زمین کمی دیرتر و پس از دریافت عکس‌های فضاپیمای مرکوری و جمینای از ناهمواری‌ها و منابع سیاره مطرح شد. این تصاویر، ویلیام پِکورا، مدیر وقت سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده را به فکر فرو برد: «چه می‌شود اگر دانشمندان چیز دائمی‌تری در مدار زمین قرار دهند؟»

پکورا در میانه دهه ۱۹۶۰ این ایده را برای وزیر امور داخلی ایالات متحده مطرح کرد و او را مجاب کرد تا تصمیم خود برای اجرای چنین طرحی را اعلام کند؛ اما براساس تاریخچه ناسا، این یک تصمیم سیاسی برای عصبانی کردن افراد مناسب برای این پروژه یعنی دانشمندان ناسا، برای سرعت بخشیدن به ساخت چنین ماهواره‌هایی بود؛ دانشمندانی که مهارت و تجربه لازم برای ساخت آن را داشتند.

تاریخچه «میراث پایدار لندست» که به‌تازگی توسط تیم پروژه میراث لندست منتشر شده، در این باره می‌گوید: «اعلامیه غیر منتظره وزارت امور داخلی توجه زیادی را در واشنگتن جلب کرد و طوفانی از مخالفت‌های سیاسی را در ناسا و آژانس‌های امنیتی برانگیخت، زیرا هیچ یک تمایلی به داشتن رقیبی جدید در تجارت پایش زمین نبودند. همسر پکورا در توصیف شرایط گفته بود: «کاخ سفید آماده بود تا او را بکشد، پنتاگون آماده بود تا او را بکشد و وزارت خارجه آماده بود تا او را بکشد.»

بعضی از استدلال‌های منتقدان به اعلامیه، شامل چنین مواردی بود: هواپیما‌ها می‌توانند به نتایج مشابهی دست یابند. فضاپیمایی غیر نظامی ممکن است اطلاعات زیادی درباره توانایی‌های ماهواره‌های نظامی افشا کند. همچنین سایر کشور‌ها دوست ندارند از بالای سرشان پرواز کنید و از آن‌ها عکس بگیرید.

در میان این جدال، ناسا وارد عمل شد. این آژانس فضایی، ورکشاپی برگزار کرد تا با طوفان فکری، کاربرد‌های این فناوری مانند تفکیک نوع سطح زیر کشت و شناسایی بیماری‌های محصولات کشاورزی را بررسی کنند. در سال ۱۹۷۲، ناسا «ماهواره‌ی فناوری منابع زمین» را به مدار فرستاد که بعدا تبدیل به نخستین ماهواره از برنامه لندست شد.

جیم آیرونز که از سال ۱۹۷۶ شروع به کار روی داده‌های این برنامه‌ی ماهواره‌ای کرد و بعدا جانشین دانشمند ارشد پروژه لندست ۷ و دانشمند ارشد پروژه لندست ۸ شد می‌گوید: «درک و مشاهده زمین از نقطه دید برتر در فضا، اکتشافی بزرگ بود.» در آن زمان، دانشمندان بیشتر مجذوب انطباق ویژگی‌های فیزیکی سیاره بر ساختار‌های زمین‌شناختی مانند گسل‌ها، دره‌ها و آتشفشان‌ها بودند. آیرونز می‌گوید: «آن‌ها از نظر دیداری زیبا بودند و شما می‌توانستید آنچه درباره ژئومورفولوژی در کتاب‌ها خوانده بودید را با چشم ببینید.»

به‌زودی تصاویر و داده‌های حاصل از آن‌ها به پژوهشگرانی مانند آیرونز نشان دادند که چگونه سیاره زمین زیر پای ساکنانش و بخاطر آن‌ها تغییر می‌کند. لندست نشان داد زمین‌های کشاورزی افزایش می‌یابند، جنگل‌های بارانی ناپدید می‌شوند و یخچال‌ها در حال پس‌روی هستند. به گفته آیرونز: «از دید من، نوعی تغییر نگرش از تمجید زیبایی‌های سطح زمین به درک تأثیر عمیق انسان‌ها بر چهره زمین، اتفاق افتاد.»

امروز به لطف بایگانی داده‌های علمی لندست، دانشمندان می‌توانند فیلم کاملی از نحوه تغییر جهان به دست انسان در طول نیم قرن را تماشا کنند. مقایسه چشم‌انداز‌های ثبت‌شده‌ی قدیمی و زمان حال به‌ویژه برای آن‌هایی که یکی از عناصر طبیعی چهارگانه افلاطونی را مطالعه می‌کنند، مفید است. عنصری که بدست انسان ایجاد می‌شود و از او تأثیر می‌پذیر: آتش.

داده‌های لندست درباره «آتش‌سوزی سیاه» که تا پایان ماه ژوئن امسال مساحتی بیش از ۱۳۰ هزار هکتار را سوزاند و دومین آتش‌سوزی بزرگ در تاریخ نیومکزیکو بوده است، مورد علاقه‌ی دانشمندانی چون داگلاس مورتِن از مرکز فضایی گودارد ناسا است.

مورتن آتش‌سوزی‌های گسترده را مطالعه می‌کند و با پروژه‌ای به نام «پایگاه داده انتشار آلاینده جهانی آتش‌سوزی» همکاری می‌کند که مقدار و مکان آتش‌سوزی‌ها در سیاره را ماهانه پایش می‌کند و میزان انتشار آلاینده‌هایی مانند کربن، کربن دی‌اکسید، کربن مونو اکسید، متان و نیتروز اکسید که در فرایند سوختن در اتمسفر آزاد می‌شوند را اندازه می‌گیرد.

مورتن می‌گوید: «به‌عنوان یک دانشمند، من از این داده‌ها برای بررسی مناطق فعال آتش‌سوزی استفاده می‌کنم تا مناطق مستعد آتش‌سوزی را شناسایی کنم. سپس فرایند بازیابی و تغییرات پوشش گیاهی پس از آتش‌سوزی را دنبال می‌کنم. لندست اطلاعات لازم برای بررسی هر سه هدف را فراهم می‌کند.»

در دو دهه گذشته، مورتن شاهد رشد آتش‌سوزی‌ها در مناطقی مانند غرب ایالات متحده و جنگل‌های کاج سیبری، کانادا و آلاسکا، هم به لحاظ ابعاد و هم تعداد بوده است. در همین بازه زمانی آتش‌سوزی در مناطق استوایی مانند علفزار‌ها و ساوانا روند کاهشی (۳۰ درصدی) داشته است. این کاهش احتراق می‌تواند به تبدیل مناطق باز به درخت‌زار منجر شود.

از جهاتی این اتفاق، اتفاق خوبی است. این به معنی جذب کربن بیشتر توسط زمین و تأثیری هر چند کوچک بر کاهش سرعت تغییرات اقلیمی است؛ اما این خیر مطلق نیست. جانوران فضای کمتری برای چریدن خواهند داشت و فرار از شکارچیان برای آن‌ها سخت‌تر خواهد شد.

داده‌های ماهواره‌ای در گذشته تمام واقعیت آتش‌سوزی‌ها را نشان نمی دادند. لندست ۹ که در سپتامبر گذشته پرتاب شد، در کنار لندست ۸ و برنامه سنتینل (sentinel) آژانس فضایی اروپا، اکنون نمای پر جزئیات‌تری از آتش‌سوزی‌های جهانی را به پژوهشگرانی چون مورتن نشان می‌دهد. لندست ۹ که هر ۱۶ روز یکبار از زمین تصویربرداری می‌کند، دارای دو ابزار است: تصویربردار عملیاتی ۲ (OLI-2) و حسگر فروسرخ حرارتی ۲ (TIRS-2).

ابزار نخست، فوتون‌ها را در باند‌های مرئی، فروسرخ نزدیک و فروسرخ میانی مشاهده می‌کند و دومی، رد حرارتی اجسام را ثبت می‌کند. این فضاپیما به همراه لندست ۸، ۱۵۰۰ تصویر را در روز به بایگانی این پروژه اضافه می‌کنند که هر تصویر، پهنه‌ای به عرض ۱۸۵ کیلومتر را نمایش می‌دهد.

تصاویر رنگ کاذب ماهواره‌ی لندست۸ پیش (چپ) و پس (راست) از سیل سال ۱۳۹۸ در استان گلستان

ترکیب ابعاد، وضوح، تکرار و تناوب این تصاویر، تصویر بسیار کامل‌تری نسبت به آنچه در گذشته می‌دیدیم ارائه می‌کند.مورتن می‌گوید: «ما در گذشته بسیاری از آتش‌سوزی‌ها را نمی دیدیم، زیرا آن‌ها در مساحت کوچکی اتفاق می‌افتادند یا به قدری سریع اتفاق می‌افتادند که هیچ ماهواره‌ای آن‌ها را در زمان فعالیت ثبت نمی‌کرد.» درنتیجه، مورتن تخمین می‌زند دانشمندان تاکنون مساحت سوخته سالیانه را ۵۰ تا ۱۰۰ درصد کمتر از واقعیت محاسبه کرده‌اند. او می‌گوید: «ما در لبه پرتگاهِ درک جدیدی از فعالیت‌های آتش‌سوزی در جهان هستیم.»

این یافته‌ها در شناخت آلاینده‌ها و بوم‌شناسی با اهمیت‌اند ولی برای مردمی که در نزدیکی آتش‌سوزی‌ها زندگی می‌کنند نیز مهم هستند. حتی اگر این آتش‌سوزی‌ها کوچک و سریع باشند، پشت خانه‌ی کسی اتفاق می‌افتند. مورتن می‌گوید: «حتماً نباید آن آتش‌سوزی بزرگ‌ترین، طولانی‌ترین یا سوزاننده‌ترین باشد تا تأثیر بزرگی بر جوامع داشته باشد.»

پس از یک آتش‌سوزی، داده‌های لندست نشان می‌دهند که گیاهان چگونه خزنده به چشم‌انداز باز می‌گردند. گاهی این بازگشت آهسته‌تر اتفاق می‌افتد زیرا آتش‌سوزی‌های شدید باعث سوختن نیتروژن و فسفر خاک می‌شوند که گیاهان برای رشد به آن‌ها نیاز دارند. همچنین مکان‌هایی که دچار حریق می‌شوند، معمولاً قبلا خنک‌تر و مرطوب‌تر بوده‌اند و اکنون گرم و خشک‌تر هستند. مورتن می‌گوید: «پوشش گیاهی که پس از آتش‌سوزی رشد می‌کند، در دنیایی متفاوت رشد می‌کند.»

نقاط مختلف جهان نیز به شکل متفاوتی نسبت به آتش‌سوزی واکنش نشان می‌دهند. برای نمونه، مقاله‌ای از سال ۲۰۱۸ در Annals of GIS با استفاده از داده‌های لندست دریافت که یک زیست‌بوم توندرا پس از سه سال از آتش‌سوزی بهبود یافته ولی مناطق سوخته در محدوده مدیترانه پس از هشت سال همچنان به‌طور کامل به شرایط پیشین باز نگشته بودند.

مقاله‌ای از سال ۲۰۱۹ در نشریه Fire Ecology از چشمان لندست بهره برد تا دریابد انواع مختلف جنگل با سرعت متفاوتی به شرایط عادی بر می‌گردند و جنگل‌های کاج زرد از این نظر کندترین بودند، جنگل‌های ترکیبیِ سوزنی برگ در جایگاه دوم قرار گرفتند و ترکیب سوزنی برگ‌ها، درختان بلوط و چاپارل بهترین عملکرد را داشتند.

در سالیان اخیر، دانشمندان با تحلیل پایگاه داده آلاینده‌هایی که مورتن هم در ایجاد آن همکاری داشته، دریافتند که آتش‌سوزی جنگل‌های کالیفرنیا، معادل یک چهارم انتشار سالانه سوخت‌های فسیلی این ایالت، کربن دی اکسید در جو آزاد می‌کند. آن‌ها تأثیرات قرنطینه کوید-۱۹ بر آتش‌سوزی‌ها در جنوب شرقی ایالات متحده را بررسی می‌کنند و تلاش می‌کنند دریابند چگونه آتش‌سوزی جنگل‌ها باعث ایجاد الگو‌های آلودگی فصلی در آمریکای شمالی می‌شود.

بااین‌حال، خبر خوش این است که باران‌های موسمی (مانسون) در اواخر ژوئن به فرونشاندن «آتش‌سوزی سیاه» کمک کردند. تصاویر لندست می‌توانند رشد مجدد گیاهان در این مناطق را در سالیان آینده ثبت کنند. برنامه لندست، در حدود سال‌های ۲۰۳۰، ماهواره بعدی خود را ارسال خواهد کرد که لندست نِکست (Landsat Next) نام دارد. این ماهواره سنت نام‌گذاری عددی این برنامه را خواهد شکست و از جهات مختلف، پیشرفتی نسبت به ماهواره‌های قبلی خواهد بود.

بروس کوک، یکی از دانشمندان مرکز گودارد در برنامه آینده می‌گوید: «حتی زمانی که لندست ۹ در حال ساخت بود، ما با جامعه دانشمندان درباره ماهواره بعدی گفت‌وگو می‌کردیم.» از دانشمندان درباره آنچه می‌خواستند و لندست ۹ برآورده نمی‌کرد سؤال می‌شد. جواب‌ها سر راست بودند؛ آن‌ها تصاویر پر تکرارتری از یک نقطه، داده‌هایی با وضوح بیشتر و باند‌های طیفی باریک‌تر می‌خواستند.

ابزارهای ماهواره‌ی جدید، نور را براساس طول موج به دسته‌های جزئی‌تری تقسیم خواهند کرد؛ مانند تفاوت یک بسته مداد رنگی ۸ رنگ با بسته ۱۶ رنگ. این افزایش باند‌ها می‌تواند پدیده‌هایی مانند شکوفایی جلبک‌ها را آشکار کند که رنگ آن‌ها می‌تواند داستان رشد انفجاری آن‌ها را بازگو کند.

تیم توسعه این ماهواره امیدوار هستند لندست نکست به جای هر ۱۶ روز [مانند لندست ۸ و ۹]، هر ۹ روز یکبار از هر نقطه تصویربرداری کند و به جای ۱۱ باند، ۲۶ باند طیفی را بررسی کند و همچنین وضوح تصاویر آن به ۱۰ متر روی زمین برسد؛ که معادل طولی به اندازه‌ی ۶ صفحه سیمانی پیاده‌رو (در ایالات متحده) است.

با وجود صد‌ها ماهواره دیدبانی زمین در مدار که داده‌هایی با وضوح بیشتر را در فواصل زمانی کمتر فراهم می‌کنند، دولت [ایالات متحده] چه نیازی به ادامه‌ی برنامه لندست دارد؟ جواب ساده است، داده‌های لندست رایگان هستند.

در نیم قرن گذشته، لندست سرپرست‌های متفاوتی داشته که شامل آژانس‌های مختلف دولتی و در مقطعی یک شرکت خصوصی بوده است. امروزه این برنامه به‌طور مشترک زیر نظر ناسا و سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده فعالیت می‌کند و دو ماهواره لندست ۸ و ۹ در دوران تصدی این دو سازمان طراحی و عملیاتی شده‌اند (سایر مدارگرد‌های این برنامه اکنون بازنشسته شده‌اند و فعال نیستند). قیمت داده‌های این ماهواره‌ها از سال ۲۰۰۸ به صفر کاهش یافته است.

تغییرات مساحت آبی دریاچه‌ی ارومیه در تصاویر ماهواره‌های لندست از سال ۱۳۶۳ تا ۱۳۹۹ خورشیدی (۱۹۸۴ تا ۲۰۲۰ میلادی)

برای مقایسه، در سال ۱۹۷۹ که این برنامه زیر نظر دولت فعالیت می‌کرد، قیمت هر تصویر به چند صد دلار می‌رسید. این قیمت در میانه دهه ۱۹۹۰ که لندست تحت مالکیت خصوصی قرار گرفت به ۴۴۰۰ دلار رسید. پس از تصاحب مجدد برنامه توسط دولت فدرال در سال ۱۹۹۹ که هم‌زمان با ارسال لندست ۷ اتفاق افتاد، قیمت‌ها کاهش یافت ولی برای یک دهه همچنان استفاده از داده‌ها هزینه‌بر بود. با گسترش اینترنت، توزیع و پردازش داده‌ها ارزان‌تر و غیر فیزیکی شد؛ بنابراین دیگر نیازی به نوار‌های مغناطیسی در بسته‌های پستی نبود.

امروزه داده‌های لندست در بایگانی‌های سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده نگه‌داری می‌شوند و برای عموم بصورت رایگان قابل دانلود هستند. دانشمندانی از سراسر دنیا که پیش از این تنها قادر به خرید یک یا سه تصویر بودند، اکنون می‌توانند هر تعداد که دلشان بخواهد محتوا دانلود کنند.

مؤسسات غیرانتفاعی با بودجه محدود و پژوهشگرانی از کشور‌هایی که ماهواره ملی ندارند نیز می‌توانند از داده‌های رایگان بهره ببرند. سایر شاخه‌های دولت فدرال مانند وزارت کشاورزی و وزارت دفاع نیز از این داده‌ها استفاده می‌کنند. شما و سایر مردم کنجکاو نیز می‌توانید بسته به نیاز و دانش‌تان انواع پایگاه‌های داده و ابزارهای مرتبط را بکار گیرید.

هدف این است که هر کس بدون توجه به موجودی کیف پول یا پرچم بالای ساختمانش بتواند نمای یکسانی از زمین را ببیند. مورتن می‌گوید: «نمی‌توان از تأکید بر اهمیت این شفافیت دست کشید. وقتی همه ما به داده یکسانی نگاه کنیم، بستر یکسانی برای گفت‌وگو و تصمیم‌گیری درباره آینده سیاره‌مان خواهیم داشت. من فکر می‌کنم اگر فقط بعضی از مردم به این داده‌ها دسترسی داشته باشند، توازن قدرت به هم می‌خورد.»

کوک در تأیید او می‌گوید: «این روش غیر مبهم و فیلتر نشده است. هر کسی می‌تواند داده‌ها را دریافت کند و نتیجه‌گیری خودش را داشته باشد. فکر می‌کنم اگر فهرستی از بازگشت سرمایه تهیه کنیم، لندست درست پس از GPS قرار می‌گیرد، همان چیزی که می‌گوید کجای زمین قرار دارید.»

گزارشی از وزارت امور داخلی و سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده در سال ۲۰۱۹ تخمین می‌زند که داده‌های لندست در سال ۲۰۱۷ نزدیک به ۳٫۴۵ میلیارد دلار به عموم سود رسانده است، زیرا پژوهشگران، سازمان‌ها و شرکت‌ها مجبور به پرداخت هزینه برای داده‌های مورد استفاده خود نبوده‌اند.

داده‌های ماهواره‌های تجاری لزوما ثبات اطلاعات لندست را ندارند. نور دریافتی در آن‌ها همیشه به تعداد باند‌های یکسانی تقسیم نمی‌شود و داده‌ها همیشه یکنواخت نیستند. به اصطلاح دانشمندان، داده‌های لندست «خوب کالیبره شده‌اند.» کوک برای درک بهتر موضوع این مثال را می‌زند: «شما می‌خواهید یک عکس خانوادگی مقابل شومینه در کریسمس بگیرید و این عکس را هر سال در همین مکان تکرار کنید.

با وجود زمان‌بندی و مکان مشابه، تصویر ممکن است دقیقاً یکسان به نظر نرسد. ممکن است خواهرتان در یکی از تصاویر رنگ‌پریده‌تر به نظر برسد. چرا چنین چیزی اتفاق می‌افتد؟ شاید دوربین جدیدی خریده باشید یا شاید نور محیط کمی تغییر کرده باشد. شاید هم او واقعا رنگ‌پریده‌تر از قبل بوده است؛ ولی نمی‌توانید با اطمینان نتیجه‌گیری کنید؛ چون داده‌های شما خوب کالیبره نشده‌اند.

داده‌های لندست به خوبی کالیبره شده‌اند؛ تصاویر برای حذف تفاوت‌هایی که در واقعیت وجود ندارند، پردازش شده‌اند. شرکت‌های ماهواره‌ای تجاری ممکن است در بلندمدت استاندارد‌های خود را تغییر دهند. بعضی از آن‌ها داده‌های خود را با داده‌های لندست کالیبره می‌کنند.

درنهایت هیچ‌کدام از شرکت‌های ماهواره‌ای خصوصی، بایگانی‌ای به قدمت لندست که دو دهه پیش از صنعت تصویربرداری ماهواره‌ای تجاری شروع به فعالیت کرده، ندارند. اگر صادقانه بگوییم، برنامه لندست بدون خطا نبوده؛ مأموریت‌ها با تأخیر انجام شده‌اند، تأمین بودجه با مشکل مواجه بوده و یکی از ماهواره‌ها منفجر شده است؛ اما فارغ از پستی و بلندی‌های تأمین مالی دولتی، لندست آمده است تا بماند ولی شرکت‌های خصوصی ممکن است تغییر مسیر دهند و از این کسب‌و‌کار خارج شوند.

آیرونز می‌گوید: «مشوق‌ها برای نگه‌داری بلندمدت و بایگانی داده‌ها به قدمت چند دهه لزوما وجود ندارند. بنابراین با وجود اینکه آن‌ها [شرکت‌های خصوصی] داده‌های فوق‌العاده‌ای ثبت می‌کنند، مشخص نیست این اطلاعات برای نسل‌های آینده حفظ شوند.»

بایگانی لندست، جهانی بسیار متفاوت از سال ۱۹۷۲ را به تصویر می‌کشد. سیاره‌ای که بخش‌هایی از آن تغییر رنگ می‌دهند، پدیدار و ناپدید می‌شوند، می‌سوزند و دوبار رشد می‌کنند. ثبت این تغییرات، تخصص لندست است. این موضوع کوک را به یاد این گفته می‌اندازد: «این قوی‌ترین یا هوشمندترین گونه‌ها نیستند که زنده می‌مانند؛ آن‌هایی که بیشترین سازگاری با تغییرات را دارند باقی می‌مانند.»

کوک می‌گوید: «در پذیرش تغییرات، قدرت زیادی نهفته است که با فرو کردن سرتان در برف به آن دست نمی‌یابید.» گام نخست مانند همیشه پذیرش این نکته است که مشکلی وجود دارد. گام دوم جمع آوری اطلاعات کافی برای ترسیم نقشه‌ی شناسایی آن است.