Sentinel-2

Komeita ja käyttökelpoisia kuvia

Sentinel-2A:n ensimmäisissä käsitellyissä kuvissa näkyy kohteita Ranskassa ja Italiassa. 

Yllä olevassa kuvassa on Milano lähes luonnollisen kaltaisissa väreissä: talojen katot sekä kaupunkia ympäröivät pellot näkyvät kuvassa hyvin. 

Otsikkokuvassa on puolestaan näkymä Po-joen laaksosta, missä näkyvät hyvin Alpit pohjoisessa (ylhäällä) ja Välimeri alla. Meren ranta kuuluu Ranskalle ja Italialle.

Samasta alueesta on alla (aivan alimpana) väärävärikuva, joka on otettu korkearesoluutioisolla infrapunakanavalla. Ns. lämpökuva kertoo paljon enemmän kuin ”tavallinen” valokuva ja siitä on erityistä hyötyä esimerkiksi maanviljelyssovelluksissa. Kuvassa näkyy keskellä Pavian kaupunki sekä se, miten Po- ja Ticino-joet yhdistyvät.

Alla (ylempi alemmista kuvista) on vielä saman kaltainen kuva Ranskan Rivierasta.

Nämä kuvat ovat vasta alustavia, sillä kameralaitteistojen säätäminen ja kalibrointi vie noin kolme kuukautta. Sinä aikana satelliitin ottamia kuvia ja mittaustietoja verrataan samanaikaisesti Maan pinnalla tehtäviin havaintoihin sekä muiden satelliittien ottamiin kuviin.

Kun Sentinel-2B on avaruudessa vielä ensi vuonna, pystyvät nämä kaksi satelliittia tarkkailemaan kaikkia paikkoja suurella tarkkuudella maapallon pinnalla siten, että ne kulkevat täsmälleen saman paikan yli joka viides vuorokausi.

Kuvat: ESA. Huomaa, että näissä nettikuvissa resoluutio ei ole lähellekään sama kuin "oikeissa" kuvissa.

Vähän kuin iso ilotulitusraketti

Vega on äärimmäisen yksinkertainen, sillä se käyttää pääasiassa kiinteää polttoainetta. Siinä missä esimerkiksi Ariane 5 käyttää ensimmäisen vaiheensa päämoottorissa ajoaineina nestemäistä vetyä ja happea, on sen sivuilla olevat, lentoonlähdössä tarvittavaa lisätyöntövoimaa tuottavat apuraketit kiinteällä polttoaineella toimivia.

Vega on pariaatteessa kuin yksi tuollainen apuraketti, joskin se koostuu kolmesta kiinteää polttoainetta käyttävästä ja yhdestä nestemäistä polttoainetta käyttävästä vaiheesta. Näin sen suorituskyky on optimoitu eri lennon vaiheisiin.

Yleistäen kiinteää polttoainetta käyttävä rakettimoottori on kuin ilotulitusraketti, eli siinä on kakku räjähtäen itsestään palavaa ainetta siten, että keskellä on pitkittäinen reikä, jonka kautta pakokaasut ohjataan suuttimeen ja sen kautta taaksepäin moottorista tuottamaan työntövoimaa.

Kiinteä rakettimoottori on siten yksinkertainen, eikä sen lentoonvalmistelu vaadi tankkaamista. Yleistäen se voidaan vain tuikata tuleen ja se toimii erittäin varmasti. Ongelmana on kuitenkin se, että moottoria ei voi hallita lennon aikana: sytyttämisen jälkeen sitä ei voi sammuttaa eikä sen työntövoimaa voi säätää. Sen sisärakenne on tosin tehty sellaiseksi, että työntövoima muuttuu suunnitellun lennon vaiheen mukaisesti sitä mukaa, kun polttoaine palaa moottorin sisällä.

Tämän hallitsemattomuuden vuoksi Vegassakin on ylin vaihe, joka toimii nestemäisellä polttoaineella. Sen rakettimoottoria voidaan säätää ja se voidaan sammuttaa sekä käynnistää uudelleen. Näin se pystyy viemään satelliitin tarkalleen halutulle radalle Maan ympärillä.

Vegan tapauksessa ylin vaihe toimii myös raketin “aivoina” – sen avioniikkalaitteisto sijaitsee siellä. Rakettimoottorina siinä on pieni, yksinkertainen ja luotettava ukrainalaistekoinen rakettimoottori. Sopivan kokoista moottoria ei ollut tarjolla Euroopassa, eikä sen kehittämiseen haluttu käyttää rahaa, koska tarvittava moottori oli saatavissa idästä.

Jo rutiinilaukaisu

Ensimmäinen Vega laukaistiin avaruuteen vuonna 2012 ja Sentinel-2A:n kiertoradalle vievä lento on järjestyksessään jo viides. Edellisellä lennollaan Vega laukaisi lyhyelle lennolleen  ESAn kokeellisen IXV-avaruusaluksen ja seuraavalla lennolla on kyydissä LISA-Pathfinder, jännittävä tähtitieteellinen tutkimuslento, jonka päämääränä on Lagrangen piste 1 noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta.

Vaikka LISA-Pathfinder ohjataankin kauemmaksi Maasta, on Vegan peruskauraa Sentinel-2:n kaltaiset Maan kiertoradalle laukaistavat, massaltaan 300-2500 kg olevat satelliitit. Vegan suunnittelussa tyypillisenä matkustajana on pidetty puolitoistatonnista satelliittia, joka laukaistaan noin 700 km:n korkeuteen Maan napojen kautta kulkevalle polaariradalle; Sentinel on juuri sen tyyppinen tapaus.

Vegan laukaisulistalla on tällä hetkellä kahdeksi seuraavaksi vuodeksi kolme kaukokartoitussatelliittia, kaksi ilmastotutkimussatelliittia (mm. Suomessa hiotun suuren peilin sisältävä ADM-Aeolus).

Vegasta ollaan myös kehittämässä äreämpää versiota, joka ulkoisesti ei juuri eroa nykyisestä. Tämä Lyra-niminen raketti olisi noin 30% voimakkaampi kuin nykyinen Vega, mutta sen tekeminen ja laukaisu maksaisi jotakuinkin saman verran kuin Vegalla nykyisin.  

P80-rakettimoottori tarkemmin

Vegan ensimmäisen vaiheen rakettimoottori on italialaistekoinen (Fiat ja Avio) P80.

Se on kiinteällä polttoaineella toimiva rakettimoottori, eli moottori on käytännössä kuin suuri sylinteri, jonka yläosa on suljettu ja alaosassa on suutin. Keskellä on suuri määrä herkästi syttyvää ajoainetta, jonka keskiosassa on muotoiltu reikä pystysuunnassa. Kun moottori sytytetään, palaa ajoainekakku alhaalta ylöspäin ja synnyttää suuren määrän kuumaa pakokaasua, joka syöksyy ulos rakettimoottorin suuttimesta.

Ajoaine on polttoaineen ja hapettimen seosta, missä on mukana sidosainetta. Polttoaineena ja samalla sidosaineena on hydroksyylipäätteistä polyvinyylietyleeniä, eli käytännössä parafiinivahaa, hapettimena ammoniumperkloraattia ja lisäksi hieman alumiinipulveria.

Moottorin työntövoima on laukaisun aikaan 3040 kN, mutta työntövoima muuttuu lennon kuluessa. Sitä hallitaan siten, että moottorin keskellä pystyssä oleva tyhjä tila on välillä suurempi ja välillä ahtaampi, minkä lisäksi reikä ei ole pyöreä, vaan hieman tähtimäinen: silloin palopinta-alaa on enemmän ja näin kaasuntuotto on suurempi.

Hiilikuiturakenteinen moottorin ulkokuori on kolme metriä halkaisijaltaan, tyhjän moottorin paino on seitsemän tonnia ja polttoaineen kanssa sen massa on kaikkinensa 95 tonnia. Polttoainetta tästä on 80 tonnia, ja kun se sytytetään laukaisun koettaessa käyntiin, kestää palaminen 107 sekuntia.

Miksi rakettilaukaisuita viidakosta?

Se, että eurooppalaiset laukaisevat rakettejaan Etelä-Amerikasta, tuntuu äkkiseltään ajateltuna omituiselta, mutta sille on hyvä selitys. Itse asiassa parikin.

Ensimmäinen osa selitystä on se, että satelliitit kannattaa laukaista aina matkaan mahdollisimman läheltä päiväntasaajaa ja maapallon pyörimisliikkeen suuntaisesti, eli kohti itää. Silloin Maan oma pyöriminen auttaa vauhdin saamisessa ja etu on jopa 1675 km/h, siis 0,46 km/s, eli noin kuusi prosenttia tarvittavasta vähimmäisnopeudesta. 

Verrattuna pohjoisempana tai etelämpänä olevaa laukaisupaikkaan, voidaan päiväntasaajalta siis joko laukaista satoja kiloja raskaampi kuorma avaruuteen tai käyttää hieman pienempää kantorakettia.

Euroopan manner ei maantieteellisesti ulotu päiväntasaajalle, mutta onneksi (jos niin voi sanoa) Euroopan mailla on historiallisista syistä alueita lähellä päiväntasaajaa. Näistä suurin ja logistisesti kätevin on Ranskan Guyana, joka sijaitsee juuri sopivasti vain 5,3° päiväntasaajan pohjoispuolella. 

Lisäbonuksena paikalla on sen sijainti Etelä-Amerikan itälaidalla, mistä katsottuna itäpuolella ja pohjoisessa avautuu vain laaja Atlantti. Sieltä voidaan siis laukaista turvallisesti raketteja niin polaariradoille kuin päiväntasaajan päällekin, ja rakettien ensimmäiset vaiheet voivat pudota haittaa aiheuttamatta mereen. Se ei ole myöskään pyörremysrkyalueella, vaan sää on hyvin tasainen ympäri vuoden.

Ranskan Guyana on myös vain kahdeksan tunnin lentomatkan päässä Euroopasta ja virallisesti osa Ranskaa, joten pääsy sinne ja toiminta siellä on helppoa (ellei huomioon oteta tropiikin pieniä epämukavuuksia). Kyseessä on eräs Ranskan merentakaisista alueista, jotka on muun muassa kuvattu euroseteleissä olevissa kartoissa pienin kuvin.

Papillonin jalanjäljillä

Ranskalaiset ovat olleet läsnä tällä Amerikan kulmalla jo 1700-luvulta alkaen ja aivan Kouroun avaruuskeskuksen edustalla meressä sijaitsevat Pirunsaaret ovat jättäneet Guyanalle kovin kyseenalaisen maineen. 

Tarinan mukaan Papillon oli aikanaan tuolla vankisaarella, joka nyt kuuluu Ranskan kansalliselle avaruuskeskukselle ja mistä muun muassa seurataan Ariane-rakettien nousuja. Paikka on mukava päiväretkikohde, sillä sinne pääsee hyvin vaikkapa purjekatamaraanilla ja siellä voi paitsi rikkoa huvikseen kookospähkinöitä, niin myös katsella Papillonin vankilaa mukavasti Antillien alueen paikallista kreoliruokaa syöden.

Kapeaa rantakaistaletta lukuun ottamatta alue on sademetsän peittämää vaikeakulkuista maastoa, missä eläminen ja oleminen ei eurooppalaisille ollut helppoa ennen nykyajan tekniikkaa ja lääketiedettä. 

Koska Guyanassa ei pahemmin hiekkarantoja ja kulttuurikohteita ole, täyttyvät pääkaupunki Cayenneen lentävät koneet Ranskassa käyvistä paikallisista, luontoturisteista ja avaruusväestä. Ranskan Guyana saakin lähes puolet tuloistaan avaruudesta ja rakettien laukaiseminen hakkaa kirkkaasti perinteisesti suurimman elinkeinon, kalastamisen. Rommin tislaaminen jää sekin kauaksi rakettibusineksesta.

Kun ranskalaiset päättivät laukaista oman satelliittinsa 60-luvun alussa, kävivät he rakettitukikohtaansa valitessaan läpi koko joukon vaikutuksensa alla olevia maita Pohjois-Afrikasta Tyynen valtameren saariin. Guyana osoittautui parhaaksi ja sieltä paikaksi valittiin Kourou-joen suussa noin 70 kilometriä pohjoiseen Cayennestä oleva alue. 

Rakettilaukaisut Kourousta alkoivat vuonna 1964 ja kymmentä vuotta myöhemmin ranskalaiset tarjosivat paikkaa myös vastaperustetun Euroopan avaruusjärjestön ESAn käyttöön. Eräs tärkeimmistä ESAn projekteista oli Ariane-kantoraketti, jonka ensimmäinen lento tapahtui jouluna 1979. Nyt Arianen eri versiot ovet tehneet jo 223 lentoa. 

Lisäksi Kourousta laukaistaan matkaan nykyisin venäläisiä Sojuz-kantoraketteja (vuodesta 2011 alkaen) ja nyt laukaisuvuorossa olevia Vega-raketteja. Ensimmäinen Vega teki lentonsa vuonna 2012 ja nyt Sentinel-2A:n laukaiseva lento on järjestyksessään viides. Sojuz-lentoja on tehty seitsemän.

Kaikkiaan Kourousta on tehty 248 laukaisua ja viety avaruuteen 445 satelliittia.

Klikkaa tästä katsoaksesi Sentinel-2A:n laukaisumatkan liveseurantaa twitterissä.

Kopernikus: paljon vapaata ja hyvää dataa maapallosta

“Saako tästä ottaa kuvia”, hän kyselee Kopernikus-hankkeesta EU:ssa vastaava Reinhard Schulte-Braucks (yllä olevassa kuvassa vasemmalla) lähemmäksi satelliittia astellessaan ja saa huvittuneen vastauksen: “No, sehän on teidän satelliittinne, joten jos annatte luvan, niin sitten saa.”

Ja niin otamme kuvia satelliitista, jota voisi pitää myös eräänlaisena tiedustelusatelliittina. Kopernikuksen tavoitteenahan on rakentaa Euroopalle kyky saada muista riippumattomasti kuvia ja muuta havaintotietoa kaikkialta maailmassa.

Pääpaino on tutkijoille menevissä havainnoissa, maankäytön ja ympäristön tarkkailussa, avustamisesta onnettomuustilanteissa ja  esimerkiksi talvimerenkulun avustamisessa, mutta satelliitti näkee yhtä lailla myös pakolaislauttoja Välimerellä ja sotajoukkoja Ukrainassa. Avaruudesta tehtävillä tarkoilla havainnoila myös merkittävää turvallisuuspoliittista merkistystä, ja Kopernikuksella on osansa myös siinä.

Silti Kopernikus on ennen kaikkea siviilihanke, ja niinpä sen käytännön toteuttamisesta vastaavat Euroopan avaruusjärjestö sekä Euroopan ympäristövirasto European Environment Agency (EEA). 

Käytännössä kaikki havainnot ovat myös vapaasti kaikkien saatavissa. 

“Tavoitteenamme on tukea näin arkisia sovelluksia, jotka käyttäisivät satelliittien keräämää tietoa jokapäiväisessä elämässämme samaan tapaan kuin jo nyt satelliittinavigointi ja tietoliikenne ovat niin olennainen osa elämäämme, ettemme näitä edes miellä enää avaruuslaitteiksi”, selittää Schulte-Braucks.

“Merkittävää tiedon ilmaisuuden ja saatavuuden lisäksi on se, että Kopernikus tuottaa tietoa jatkuvalla syötöllä ja tuo tieto on korkealaatuista. Takaamme, että vertailukelpoista, hyvää tietoa on saatavissa pitälle 2030-luvulle saakka.”

Schulte-Braucksin mukaan jo nyt Kopernikus-tietokannassa on 352TB edestä havaintoja, jotka on saatu viime vuoden keväällä laukaistusta Sentinel-1 -tutkasatelliitista.

Sentinel-1:n valtti on siis kyky tehdä havaintojaan pilvien läpi. Sentinel-2 täydentää sitä tutkakuvia optisen alueen näkökyvyllä.

Schulte-Braucksin mukaan EU on varannut hankkeeseen 4,3 miljardia euroa vuosina 2014-2020 käytettäväksi.

“Juttelin juuri pari viikkoa sitten amerikkalaisten kollegojeni kanssa, ja he ihmettelivät miten tiedämme jo nyt mikä on budjettimme vuosien päästä. He kun eivät tiedä edes sitä, kuinka paljon heillä on käytössä ensi vuonna. Tämä pitkäjänteisyys on eräs Euroopan vahvuuksista.”

Schulte-Braucks mainitsee myös sen, että satelliittihavainnoilla pystyttiin auttamaan ebola-epidemian saamista hallintaan Afrikassa. 

“Öljypalmuissa asuvat hedelmälepakot ovat olleet eräs tehokkaimmista taudin välittäjistä, joten pystyimme paikantamaan epidemia-alueelta kriittisimpiä öljypalmualueita ja keskittämään valistusta ja hoitoja näille alueille.”

Tästä EU-virkamies ei sano mitaan, mutta Kopernikus on myös erinomainen väline eurooppalaisten tarkkailuun: EU pystyy pian tarkistamaan kätevästi myös esimerkiksi sen, kasvaako suomalaisviljelijän pellolla perunaa tai espanjalaisfarmarin tiluksilla oliivipuita, kuten he ovat ilmoittaneet. Mielestäni tämä on kuitenkin hyvää valvontaa.

Metsähavainnot ovat suomalaista osaamista

Satelliitin tekemisestä vastanneen Airbus Defence & Space -yhtiön projektivastaavat mainitsevat, että Sentinel-2 on erityisen hyvä metsien ja kasvillisuuden havaitsemissa. Ja että tässä suomalaiset ovat olleet tärkeässä osassa.

“Sentinel-2 on unelmalaite metsien kartoitukseen ja seurantaan”, vahvistaa VTT:n tutkimusprofessori Tuomas Häme puhelimitse Suomesta. 

“Sillä on riittävä erotuskyky esimerkiksi kuntatason kartoitukseen ja seurantaan myös metsätilojen tasolla, sen kuvat ovat suuria, se tuottaa jatkuvasti tasalaatuista tietoa ja voi kuvata samaa paikkaa vähintään parin päivän välein. Sen kamerassa on runsaasti aallonpituuskanavia ja suomalaisittäin on tärkeää se, että kameran ilmaisin on hyvin herkkä. Tämä on tärkeää tummia havumetsiä kuvattaessa.”

VTT johti Sentinel-2:n metsäsovellusten ominaisuuksien määrittelyä 13 vuotta sitten päättyneessä ESAn rahoittamssa TESEO-hankkeessa. Sentinel-2 toteuttaa raporttin suositukset lähes sellaisinaan.

Tällä hetkellä VTT koordinoi Hämeen johtolla EU:n seitsemänteen puiteohjelmaan liittyvää hanketta nimeltä North State, jossa kehitetään uusia menetelmiä pohjoisen havumetsävyöhykkeen hiili- ja vesitaseen arviointiin. Kehitettävien menetelmien keskeisin aineisto on Sentinel-2:sta. 

“Toistaiseksi harjoittelemme toimintaa mm. amerikkalaisen Landsat-satelliittien aineistolla, jota tuetaan Sentinel-1:n havainnoilla. Hankkeessa on Suomesta mukana mm. Helsingin Yliopisto ja Simosol Oy. Aineiston hyödyntäjiä löytyy jatkossa esimerkiksi valtion sektorilaitoksista, kuten Luonnonvarakeskus, Suomen ympäristökeskus ja Ilmatieteen laitos.”

Häme uskoo, että myös käytännön metsätalous tulee mukaan, mutta voi olla, että ne ostavat valmiita satelliittidatasta jalostettuja tuotteita palveluyrityksistä. Jo nyt useat konsulttiyritykset tuottavat tällaisia tietotuotteita. 

Suomen lisäksi metsänkartoitusta tehdään VTT:llä myös muille maille EEA:n tilauksesta ns. GIO-hankkeessa (GMES Initial Operations). 

Hankkeen puitteissa suomalaiset ovat jo viimeistelemässä  kartoitusta Baltian maiden ja Islannin metsistä; työssä on käytetty luonnollisesti jo olemassa olevaa aineistoa, mutta Sentinel-2:n havainnot tulevat täydentämään sitä. 

Maankamaran lisäksi satelliitit näkevät hyvin meriä ja niiden pinnalla olevaa jäätä tai leväkukintoja. Jo nyt talvimerenkulku hyötyy olennaisesti satelliittien avulla tehtävistä jääkartoista, ja Sentinelien avulla näistäkin saadaan parempia.

Jo olemassa olevia tuloksia voi katsoa mm. EEA:n Urban Atlas -palvelussa.

Taivaalle kesäkuussa

Sentinel-2 on juuri käynyt läpi kaikki testit, joilla varmistettiin että se kestää niin laukaisun kuin avaruudenkin olosuhteet. Tiistaisen tilaisuuden jälkeen satelliittiin kiinnitetään viimeisiä osia, sitä testataan edelleen ja sitten se pakataan kuljetusta varten. Näillä näkymin suuri Antonov-rahtikone kyytii sen huhtikuun 19. päivänä Saksasta Kouroun laukaisukeskukseen.

Satelliitissa on myös suomalaista tekniikkaa: nykyisin osana sveitsiläistä RUAG-yhtiötä oleva entinen Patrian avaruuselektroniikkaosasto teki satelliittiin sen tietokonelaitteiston, joka avustaa satelliitin päätietokonetta monissa pääasiassa asennonsäätöön liittyvissä tehtävissä. Lisäksi se kantaa päävastuun mm. aurinkopaneelien avaamisesta heti avaruuteen pääsemisensä jälkeen. 

Näin tapahtuu toivottavaasti 12. päivä kesäkuuta, jolloin Vega-kantoraketti kuljettaa sen Maan napojen kautta kulkevalle radalleen 786 kilometrin korkeudessa.

Kun se aloittaa rutiininomaiset havaintonsa noin kolmen kuukauden testauksen ja kalibroinnin jälkeen, se lähettää Maahan noin 1,6 teratavua tietoa vuorokaudessa. Sitä välitetään alas paitsi nopealla radiolinkillä, niin myös laseryhteydellä. Satelliitin hallinta tapahtuu Ruotsissa, Kiirunassa olevan maa-aseman kautta – mutta lennonjohto voi olla rauhassa, sillä Sentinel-2 on tehty hyvin omatoimiseksi ja se tietää aina etukäteen parin viikon toimet.

Erikoistapauksissa tosin se voidaan komentaa katsomaan nopeastikin hieman sivulle normaalista alaspäin kohdennetusta suunnasta. Näin havaintoja esimerkiksi luonnononnettomuuspaikoista voidaan saada parhaimmillaan tuntien sisällä niiden tapahduttua. Havaintotarkkuus sivulle katsottaessa on luonnollisesti hieman huonompi kuin suoraan alasuuntaan otettavissa kuvissa.

Toinen samanlainen Sentinel-2 laukaistaan matkaan ensi vuoden kesällä, jolloin ne voivat toimia avaruudessa parina. Kun käytössä on kaksi samaa tehtävää tekevää satelliittia, saadaan samalta alueelta kuvia vähintään joka toinen päivä. Kaksikon korvaava uusi kahden Sentinel-2:n sarja laukaistaan matkaa 2020-luvun alussa, mutta todennäköisesti niiden laitteistoja tullaan parantamaan nykyisistä.

Samoin Sentinel-1 -tutkasatelliitteja on tilauksessa neljä, ja 1A saa seurakseen 1B:n vielä tänä vuonna.

Sentinel-1:n ja Sentinel-2:n lisäksi tulee koko joukko muita satelliitteja.

Sentinel-3 on meritutkimussatelliitti, joka havaitsee meren pinnan korkeutta ja lämpötilaa sekä mittaa meressä olevan klorofyllin määrää yksinkertaisesti katsomalla minkä värinen meren pinta on. Klorofyllilaite toimii myös maanpäällisen kasvuston sondaamisessa. 

Sentinel-4 ja Sentinel-5 eivät ole satelliitteja, vaan sääsatelliittien kyytiin laitettavia, ilmakehää ja sen kaasuja mittaavia tutkimuslaitteita. Sentinel-5 on edistyksellinen otsonimittari, jonka periaatetta tutkitaan erillisellä Sentinel 5 Precursor -satelliitilla. Yksi sen tulevista käyttäjistä on Ilmatieteen laitos.

Sentinel-6 on puolestaan erittäin tarkka korkeusmittari, jonka tehtävänä on tutkia maanpinnan, merten ja jäätiköiden korkeuseroja.

Mutta nyt tärkeintä on saada tämä – tyypilliseen avaruustapaan myöhässä oleva – ensimmäinen Sentinel-2 turvallisesti taivaalle.