松浦晋也

松浦晋也

2002年ごろ撮影。北極にある電波受信機。

(写真:佐藤秀明

宇宙からしかみえない真実がある

宇宙からは、地球上では見えないものが見える、いや感じられるーー。宇宙空間に打ち上げられたスキャナーは未知の発見に大きな貢献を果たしてきた。宇宙からの視点が持つ力を科学ジャーナリストの松浦晋也氏が解説する。

Updated by Shinya Matsuura on February, 9, 2022, 0:00 am JST

高いところから世界を見れば

平らな地面に立つとき、私達の視線の高さは身長で決まる。背が高い者ほど遠くを見ることができる。では背の低い者はどうすればより広い視野が得られるのか——高いところに登ればいい。丘や山のような高い地形がなければどうすればいいか——脚立や梯子ややぐらなど、道具を使えばいい。

そういう道具で届かない、もっと高いところから、もっと広くを見渡すためにはどうすればいいか——。
空を飛ぶ道具を作ればいいのだ。

というわけで、飛行機械の歴史は「空から見渡す」という用途と密接に結びついている。有り体に言えば軍事目的の偵察だ。1783年にモンゴルフィエ兄弟が熱気球を発明して以来、20世紀初頭まで、気球は偵察と大砲の弾着観測のために盛んに利用された。1903年にライト兄弟が飛行機を発明すると、浮いているだけの気球は飛行機から攻撃されるようになって姿を消す。代わって偵察機が戦場の空を飛ぶようになった。

1957年10月にソ連が初の人工衛星「スプートニク1号」を打ち上げた時点で、開発の中心にいたセルゲイ・コロリョフは衛星の利用方法として偵察があることを認識していた。1961年4月に、ユーリ・ガガーリンを乗せて宇宙を飛んだボストーク宇宙船は、同時並行で無人の偵察衛星バージョンも開発されていた。この偵察衛星は「ゼニット」と命名され、改良を重ねてソ連崩壊後の1994年まで使われた。当然のごとく、同時期にアメリカも偵察衛星計画を進めていた。最初のプロトタイプである「ディスカバラー1号」は1959年2月に打ち上げられている。

ところで、偵察機が積むのはカメラだ。偵察衛星もカメラを積む。カメラは特定の被写体を撮影することが目的だ。目標にレンズを向ける、あるいはレンズの前を目標が通過するタイミングで、シャッターを切る、するとレンズの画角で切り取られた画像が得られる。

地球全体を何年もにわたって

ここで衛星というものの特質を考えてみよう。衛星の気球や航空機と全く異なるのは「飛び続ける、地球を回り続ける」ということだ。航空機は燃料が切れる前に着陸しなくてはけない。気球は気嚢の中の浮力を得るためのガスが漏出すれば降りてくるし、上がりすぎれば気嚢が周囲の気圧低下による張力に耐えきれなくなって破裂する。いずれにせよ数時間から数十日程度の時間で起きる。

もちろん衛星にも寿命はある。地球に近い高度500km以下の軌道なら、希薄な大気抵抗を受けて徐々に落下し、最後は大気圏に投入して消失する。そう簡単には落ちてこない軌道であっても、搭載機器は時間と共に劣化し、最後は故障して機能を喪失する。ただし、そこに至るまでは数年から、場合によっては10年、15年、20年はかかる。その間、衛星は機能し続ける。

ということは、衛星を使えば地球全体を延々と何年にも渡って観測し続けることができるということだ。偵察衛星のように、特定の場所の上空でシャッターを切って、その時点で何が起きているかを調べるのではない。地球全体を何年にもわたって観測し、地球という星で一体なにが起きているのかを調べ続けることができるではないか。

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スウェーデン・ストックホルムにて。2012年ごろ撮影。

このような衛星の特徴は、まず気象衛星として利用されることになった。気象もまた軍事作戦行動にとって重要な情報である。特に雲がどのように動いているかは、気象予測にとって大変重要な情報だ。広域で雲の動きを観察できるなら、それは気象予測の精度を上げることになる。なによりも、雲の動きが分かれば、軍事民生の区別なく大きな被害を人類社会にもたらす、台風の進路を予測することが可能になる。つまりそこに大きな情報の需要がある。

目で見るだけではわからない情報まで捉える

アメリカは1960年4月に世界初の気象衛星「タイロス1号」を打ち上げた。1960年代前半、世界中で気象衛星計画が動き出し、やがて世界的な気象観測網に成長していくことになる。

しかし、宇宙から地球を見て得られる情報は、雲の動きだけか——そんなことはない。宇宙からは地面だって見えるし海面だって見える。それだけではなく、見る光の波長を選べば、目で見るだけでは分からない情報を得ることだってできる。例えば、様々な鉱物は特有の分光特性を持つことが分かっている。ということは宇宙で地表の分光特性を観測すれば、どんな鉱物資源がどのように分布しているかが分かるかもしれない。同じことは植物にも言える。宇宙から、どんな植物がどのように分布しているかが分かるかも知れない。

後には衛星にレーダーを積んで、発信した電波の反射を観測して画像化するレーダー衛星も実用化された。電波も光も電磁波だから、電磁波のあらゆる波長を駆使して地球表面を見ていけば、今まで分からなかったことが分かるようになるということだ。

このことに、米政府機関としていち早く気付いたのは米地質調査所(USGS)だった。USGSの働きかけにより米航空宇宙局(NASA)は1964年から、衛星から地表を継続的に観測する研究を開始した。資金を提供したのは米内務省だった。つまり元々は、広大な米本土の自然資源を管理するための基礎となる情報を、衛星で得ることはできないか、という発想だったのだ。

カメラではなくスキャナーであることの重要性

1967年初頭に、この研究はEARTS(Earth Resource Technology Satellite:地球資源技術衛星)という衛星の概念としてまとまった。後のランドサット1である。

この研究に、ヒューズ・エアクラフト社に勤務していたヴァージニア・T・ノースウッド(1927〜)という女性技術者が参加していたことが、地球観測衛星という道具の確立に大きな影響を及ぼすことになった。映画「ドリーム」で、初期宇宙開発における女性科学者・技術者の活躍は知られるようになった。が、実はドリームに登場する軌道計算を担当する数学者達だけでなく、他にもいくつかの決定的なポイントで女性技術者は重要な貢献をしている。ノースウッドは、その中の一人だ。彼女はEARTSに搭載する「MSS:Multispectral Scanner」という観測機器を設計した。MSSは、その後の地球観測機器の基礎となり、彼女は「ランドサットの母」と呼ばれるようになるのである。

名は体を表す——MSSの革新的な特徴は、Multispectral Scannerという名称にすべて入っている。Multispectral(多波長)でありScanner(スキャナー)であること。カメラではない、ということが大変に重要なポイントだ。

MSSは4つの波長帯を識別する受光素子(波長別に光電管とフォトダイオードの2種類が使われた)とスキャンミラーを持つ光学系で構成されている。4つの波長帯は「0.5 -0.6µm(緑)」「0.6 -0.7µm(赤)」「0.7-0.8µm(写真赤外:赤外線フイルムで撮影可能な赤外領域) 」「0.8-1.1µm(近赤外)」だ。

1960年代のだから、今のように2次元に多数の光学素子を集積して作り込んだ受光アレイはまだ存在しない。受光素子は1画素を順々に撮影することしかできない。そこから画像を得るために、MSSでは衛星の進行とスキャンミラーとを組み合わせる。衛星の下面に装着されたMSSは、衛星の進行に合わせて、左右にミラーを振る。衛星は前に進む、ミラーは左右に振る、そのタイミングに合わせて各受光素子に入る光のエネルギーをデータとして切り出し、記録していく。すると地表の各地点で反射した太陽光の二次元画像データが、各波長別に記録されることになる。得られたデータは衛星搭載データレコーダー(時代が時代なので、磁気テープを回すデータレコーダーだ)に記録され、地上局との通信可能範囲に入ったところで、地上に送信する。MSSのスキャンミラーは幅185kmで直下の地表をスキャンしていく。

原理的にはデータレコーダーに記録できる限りは、いくらでも地表を細長い帯のようにスキャンしていくことができる。が、レコーダーの容量には限りがあるので、最初のMSSは185km×185kmの地表を1度に撮影する仕様となっていた。分解能は68m×83m。つまり1ピクセルが68m×83mの地表に相当する(現在、データは60m×60mに整形して提供されている)。

この時期の偵察衛星は分解能0.9m以下を達成していた。それに比べればザルのように粗い分解能だ。これでは自動車も飛行機も識別できない。その代わり、MSSは、185km四方という広大な地域を一気に4つの波長で画像化することができる。偵察衛星に搭載されているのが望遠レンズ付きカメラならば、MSSはもの凄く幅が広い多波長のスキャナーなのだ。

観測データから無人島がみつかる

「多波長で」「地表を撮影するのではなくスキャンする」——このMSSの仕組みは、そのまま地球観測センサーの原型となり、様々な形で発展していくことになるのである。

最初のEARTS衛星「EARTS-A」は1972年7月23日にアメリカ西海岸のバンデンバーグ空軍基地から「デルタ」ロケットで打ち上げられた。衛星が投入されたのは地球を南北に回る極軌道。「軌道高度910km、地方時午前9時45分、回帰周期18日の太陽同期準回帰軌道」である。極軌道は地球の自転と合わせて地球のほぼ全領域の上空を通ることができる。「スキャナー」たるMSSを積んだ衛星には大変都合の良い軌道だ。しかも軌道高度と軌道傾斜角(赤道に対して軌道がどれだけ傾いているかを示す角度)をうまく選ぶと、衛星直下の地方時がいつも同時刻になるようにすることができる。EARTS-Aの場合は午前9時45分。つまりいつ、どこの上を衛星が通過しても、撮影する直下の地方時は常に午前9時45分ということだ。

「地方時が同時刻」ということは地球中心に対する大陽と衛星のなす角度が同じということ。つまり、太陽光でできる影の条件が同じということになる。地表のスキャンは1回やればおしまいというものではない。何度も同じ場所を観測して、データを比較して経時的な変化を調べることも重要だ。その場合、太陽光の当たり方が同じだと、データを比較しやすくなる。

しかもこのような軌道では、何日かおきにおなじ場所の上空に戻ってくるようにすることもできる。これが「太陽同期準回帰軌道」だ。EARTS-Aが投入された「地方時午前9時45分、回帰周期18日の大陽同期準回帰軌道」というのは、「18日おきに同じ場所の上を、地方時午前9時45分に飛ぶ軌道」という意味なのだ。

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1969年撮影。エンパイアステートビルの最上階から見下ろしたニューヨークの町並み。

打ち上げ後、EARTS-Aは「ランドサット1(Landsat1)」と改名され、1978年1月まで5年半に渡って運用された。その間に得られたデータで、MSSのようなセンサーを搭載したランドサット1のような衛星——地球観測衛星の有用性は完全に実証された。広い地域の土地の利用データ、植生の分布、地形の詳細、さらにはその経時的変化を調べるのに、これ以上の道具はないほど便利だったのだ。

その象徴的な例がランドサット島である。1976年、ランドサット1の観測データから、カナダ・ラブラドールの沖合いに、未発見だった小さな無人島が見つかった。この島はランドサットのデータから見つかったことを記念して、ランドサット島と命名された。

新自由主義が差す影

EARTS計画は、当初EART-A、EARTS-Bという同型の衛星2機を運用する予定だった。EARTS-Bは「ランドサット2 」と改名され、1975年1月に打ち上げられた。衛星の有用性が実証されたことで、計画は継続になり、1978年には「ランドサット3 」が、1982年に「ランドサット4」、1984年には「ランドサット5」と、後継機が次々に開発され、軌道上に送り込まれた。1979年には、持続的・かつ継続的に比較可能な地球観測データを取得し続ける体制を整備するために、計画はNASAからアメリカ海洋大気局 (NOAA)に移管された。

衛星を継続的に打ち上げ、運用し、得られたデータを分析していく中で、アメリカは同型のセンサーを打ち上げ続けてデータを蓄積し続けることの重要性に気が付いた。同じセンサーで継続的に観測を続けることで、比較可能なデータが溜まっていく。それは文字通りの宝の山だ。新たなデータ解析手法が開発できれば、それを使って過去のデータを分析し直し、過去に何が起きていたかを知る事ができる。過去を知る事ができれば、未来への見通しも得られる——。

ここに、世界初の地球観測衛星となった「ランドサット1」の後継衛星を打ち上げ続け、観測を続けていく意義が生まれた。1972年からの継続的な観測データが存在するのは、世界でランドサットだけなのである。

ランドサット計画は続けることに意義がある——しかし、そうことは簡単に進まなかった。

1981年1月20日、共和党のロナルド・レーガンが第40代アメリカ合衆国大統領に就任したレーガン大統領は2期8年の在任期間中、新自由主義(ネオリベラリズム)に基づき、政府規制を廃し、市場参加者相互の自由競争を通じて経済を強化・成長させようとした。その流れは宇宙産業にも及んだ。

1980年代から90年代にかけてはランドサットにとって受難の季節となったのである。

参照
Landsat 1:https://landsat.gsfc.nasa.gov/satellites/landsat-1/
The Multispectral Scanner System:https://landsat.gsfc.nasa.gov/article/the-multispectral-scanner-system/
History of Remote Sensing: Landsat’s Multi-Spectral Scanner (MSS):https://gpsr.ars.usda.gov/short_remotesensing/Intro/Part2_16.html
Virginia T. Norwood: The Mother of Landsat:https://landsat.gsfc.nasa.gov/article/virginia-t-norwood-the-mother-of-landsat/
Landsat Galleries:https://landsat.gsfc.nasa.gov/gallery/