ランドサットは変化と炎に包まれる惑星の50年間をどう記録したか

5月、ニューメキシコ州トゥルース・オア・コンシクエンシーズという不吉な名前の町から約30マイル（約48キロメートル）離れた場所で、大火事が発生しました。「ブラック・ファイア」として知られるこの火事は、すぐに爆発的に拡大し、州南西部の広大な地域を焼き尽くしました。同月後半、ランドサット8号と呼ばれる衛星の画像に、その拡大の様子が映し出されました。赤外線と可視光を捉えたこれらの画像には、焼け跡と活発なホットスポット、そして煙が写っています。

ご想像のとおり、ランドサット 8 号は、ランドサットと呼ばれるプログラムのために建造された 8 番目の探査機です。ランドサットは、1972 年以来、継続的にデータを収集し、地球の写真を撮影している一連の衛星です。ランドサットの 50 年間のアーカイブは、氷河から植物種、都市に至るまで、あらゆるものがどのように変化してきたか、そして今後も変化し続けるかを理解するのに役立ちます。

ランドサットは最初の科学衛星ではありませんでした。計画開始以前から、科学者たちはすでに宇宙船を使って気象を研究することに慣れていました。しかし、地球周回衛星を使って地上の状況を把握できるかもしれないというアイデアは、マーキュリー探査機とジェミニ探査機から撮影された画像によって地球の地形と資源が明らかになった後、少し遅れて生まれました。この画像の可能性に気づいた当時、米国地質調査所長だったウィリアム・ペコラは、「科学者たちが地球の軌道にもっと恒久的なものを打ち込んだらどうなるだろうか？」と考えました。

ペコラ氏は1960年代半ば、この構想を内務長官に提示し、そのような計画を開始する意向を内務長官に発表させた。しかし、NASAの歴史によると、これは実際には政治的な策略であり、適切な人物を怒らせ、NASAにおけるそのような衛星開発を加速させるためのものだった。NASAには、実際には衛星を建造する技術と経験があったのだ。「内務省の突然の発表はワシントンで大きな注目を集め、地球観測事業への新たな競争相手出現を望んでいなかったNASAと国防総省から、激しい政治的抗議の嵐が巻き起こった」と、ランドサット・レガシー・プロジェクト・チームが最近出版した歴史書『ランドサットの永続的な遺産』には記されている。記事はさらに、その翌日、ペコラ氏の妻が「ホワイトハウスは彼を殺す準備ができており、ペンタゴンは彼を殺す準備ができており、国務省も彼を殺す準備ができていた」と回想している、と続けている。

この発表に対する批評家たちの反対意見には、以下のものが含まれていたが、これらに限ったものではない。「飛行機でも同様のことを実現できる。民間宇宙船は防衛目的の衛星の能力についてあまりにも多くのことを明らかにしてしまう可能性がある。さらに、他国は上空を飛行して写真を撮ることを必ずしも快く思わない。」

この論争にNASAが介入した。NASAは、作物の種類の解析や農業病害の発見といった技術の活用方法についてブレインストーミングを行うワークショップを開催し、事実上このアイデアを引き継いだ。1972年までに、NASAは後に「ランドサット」と改名される計画のために、地球資源技術衛星を打ち上げた。「宇宙の高い視点から地球を理解し、観測できるようになったことは、まさに啓示でした」と、1976年頃からこの衛星計画のデータに携わり始め、後にランドサット8号のプロジェクトサイエンティスト、そしてランドサット7号の副プロジェクトサイエンティストとなったジム・アイアンズは語る。

当時、科学者たちは主に、地球の物理的特徴が断層線、峡谷、火山といった地質構造にどのように反映されているかに興味を持っていました。「それは美的に美しく、教科書で読んだ地形を見ることができました」とアイアンズは言います。

やがて、写真とそれを支えるデータは、アイアンズのような研究者たちに、地球がそこに住む人々の足元で、そして彼らによってどのように変化しているかを示し始めた。ランドサットは、作物が育ち、熱帯雨林が消え、氷河が後退していく様子を捉えていた。「地球の表面の美しさに感嘆する気持ちから、人間がその外観に深く影響を与えていることを理解する気持ちへと、ある種の移行が起こりました」とアイアンズは言う。

今日、ランドサットが丹念に保管してきたアーカイブのおかげで、科学者たちは人類が半世紀で世界をどのように変えてきたかを示す完全な映像を再生することができます。その長期にわたる記録と現在進行形の風景の捉え方は、プラトンの自然の基本要素の一つ、つまり人類によって発生し、人類に影響を与える火を研究したい人々にとって特に有用です。

6月下旬の時点で32万5000エーカー以上を焼き尽くし、ニューメキシコ州史上2番目に大きな火災となったブラック・ファイアについて、ランドサットのデータが何を物語っているかは、NASAゴダード宇宙飛行センターのダグラス・モートン氏をはじめとする科学者たちの関心を集めています。モートン氏は大火災を研究しており、「地球火災排出データベース」と呼ばれるプロジェクトに貢献しています。このプロジェクトは、地球上の毎月の燃焼面積（および燃焼部位）と、炎が燃料を燃焼する際に炭素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、亜酸化窒素などの排出物がどのように大気中に放出されるかを追跡しています。

「科学者として、私はこれらのデータを使って、現在火災が発生している地域、燃えやすい地域を調査し、そして火災発生後の植生の回復と変化を追跡しています」とモートン氏は言う。「ランドサットは、まさにこの3つすべてを行うために必要な情報を提供してくれるのです。」

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モートン氏は過去20年間、米国西部やシベリア、カナダ、アラスカの松が茂る北部の森林などで、火災の規模と頻度がともに増大するのを目の当たりにしてきた。一方、熱帯地方では、過去20年間で草原やサバンナの火災が約30%減少している。燃焼が減ることで、空き地が森林地帯へと変貌する可能性がある。ある意味では、これは良いことだ。土地がより多くの炭素を吸収し、気候変動を遅らせるという小さな役割を果たすことができるからだ。しかし、それは純粋な善ではない。動物が草を食むスペースが減り、捕食者から逃げにくくなるのだ。「これは2つの重要な現実の物語です」とモートン氏は言う。

過去の衛星データは、地上火災の実態を完全に捉えきれていない。昨年9月に打ち上げられたランドサット9号は、ランドサット8号と欧州宇宙機関（ESA）のセンチネル計画と連携し、モートン氏のような研究者に地球規模の燃焼の高解像度画像を提供している。16日ごとに地球を撮影するこの最新鋭の衛星には、2つの観測機器が搭載されている。運用陸域イメージャー2（OL-2）と熱赤外線センサー2（TI-2）だ。OL-2は可視光線、近赤外線、短波赤外線の波長帯で光子を捉え、TI-2は熱の痕跡を捉える。ランドサット8号と連携したこの衛星は、1日あたり約1,500枚の画像をプロジェクトのアーカイブに蓄積しており、それぞれが1辺115マイル（約180キロメートル）の陸地を映し出している。

これらの画像のサイズ、解像度、頻度、そして一貫性を合わせた結果、これまでよりもはるかに完全な全体像を把握できるようになったとモートン氏は語る。「これまで、地形上の膨大な量の火災を見逃してきました。火災は小さな区画で発生しているからです」と彼は言う。あるいは、あまりにも速く発生するため、衛星ではその様子を捉えきれない。その結果、科学者たちは年間の焼失面積を50～100%も過小評価していた可能性があるとモートン氏は推定している。「私たちは、火災活動の真の地球規模の痕跡を新たに理解しようとしています」と彼は言う。

これは排出量と生態系を理解する上で重要です。しかし、近隣に住む人々にとっても重要です。たとえ小規模または短時間であっても、火災は誰かの裏庭で発生しているのです。「地域社会に甚大な影響を与えるには、必ずしも最大規模、最長、または最も高温である必要はありません」とモートン氏は言います。

ランドサットのデータは、火災後、植物がどのように地表に這い戻るかを明らかにしています。その再生は、よりゆっくりと進む場合もあります。これは、より激しい火災によって、植物が再び芽吹くために必要な土壌中の窒素とリンが消費されるためです。また、現在燃えている場所は、定着した当時は今よりも涼しく湿潤だった場合が多いです。しかし、現在はより暑く乾燥していることが多いのです。「火災後に再び生える植物は、全く異なる環境で再生することになります」とモートン氏は言います。

そして、世界の地域によって回復の仕方は異なります。例えば、2018年にAnnals of GISに掲載された論文では、ランドサットのデータを用いて、ツンドラの生態系が火災から3年で回復したのに対し、地中海の焼け跡は8年経っても回復しなかったことを明らかにしました。2019年にFire Ecologyに掲載された論文では、ランドサットの観測データを用いて、森林の種類によって回復速度が異なることを明らかにしました。ポンデローサマツ林が最も遅く、針葉樹混交林が2番目に遅く、針葉樹、オーク、チャパラルの組み合わせが最も回復が早かったのです。

過去2年間、科学者たちはモートン氏が貢献している排出量データベースを調査し、カリフォルニア州の山火事が大気中に放出した二酸化炭素の量が同州の年間の化石燃料排出量の4分の1であることを知ったり、新型コロナウイルスによるロックダウンが米国南東部の山火事にどのような影響を与えたかを調査したり（ヒント：山火事は減少していた）、山火事が北米で季節的な大気汚染のパターンをどのように引き起こしているかを探ったりしてきた。

しかし、朗報としては、6月下旬のモンスーンの雨がブラックファイアを鎮圧した。ランドサットによる今後の画像では、この地域の再生の様子を捉えることができるかもしれない。

ランドサット計画は2030年頃、次期衛星「ランドサット・ネクスト」を打ち上げる予定です。この衛星は、従来の数字による命名規則を大胆に破るものです。また、アップグレード版でもあります。

「ランドサット9号がまだ建造中だった頃から、私たちは地域の科学者たちと話し合っていました」と、ランドサット9号では得られない何が欲しいのかを尋ねたゴダード宇宙飛行センターの科学者、ブルース・クックは語る。クックは、ランドサット9号の次期バージョンを担当する科学者で、科学者たちは簡潔にこう語る。「彼らが求めていたのは、各地点の画像をもっと頻繁に撮影すること、より高解像度のデータ、そしてより細かいバンド画像だったのです。観測装置は光を波長に応じてより詳細なカテゴリーに分類します。クレヨン8色セットと16色セットの違いのようなものです。これにより、藻類の大量発生など、爆発的な増殖の様子を色で表すことができることが明らかになります。」研究チームは、ランドサット・ネクストが16日ごとではなく9日ごとに観測地点を訪れ、11バンドではなく26バンドを使用し、約9メートルの解像度を誇り、一辺が歩道6マス分ほどの空間を映し出すことを期待している。

しかし、数百基もの民間の地球観測衛星が軌道上に打ち上げられ、より高解像度のデータを頻繁に提供している現状において、なぜ政府がランドサットを運用する必要があるのでしょうか？ 一つには、ランドサットのデータは無料だからです。

過去半世紀にわたり、ランドサットは複数の政府機関や、一時期は民間企業など、複数の親会社を経てきました。現在は、ランドサット8号とランドサット9号を運用するNASAとUSGSが共同で管理しています（他の衛星はすでに退役しています）。これらの衛星のデータの価格は、2008年に0ドルにまで下がりました。

1979年、政府所有だった当時、1シーンが数百ドルで販売されていたことを考えると、これはかなりお買い得と言えるでしょう。ランドサットが民間事業者に委託されていた1990年代半ばには、価格は1シーンあたり4,400ドルまで高騰しました。連邦政府がランドサットを再び管理し、1999年にランドサット7号を打ち上げた際には価格は下落しましたが、その後10年近くも価格は下落しませんでした。これは、インターネットの普及により、配信と処理が安価になり、物理的な負担も軽減されたことが一因です。もうテープを郵送する必要はもうありません！

現在、ランドサットのデータはUSGSのアーカイブに保存されており、誰でも無料でダウンロードできます。これまでは1枚か3枚しか画像を購入できなかった世界中の科学者たちが、今では「ダウンロード」をクリックするだけで心ゆくまでダウンロードできます。予算が限られている非営利団体や、自国の衛星を持たない国の研究者も同様に利用できます。連邦政府の他の機関、例えば農務省や国防総省もこのデータを利用しています。そして、あなたや好奇心旺盛なすべてのアメリカ人も、ニーズや専門知識に応じて、様々なデータベースやツールを活用できます。

重要なのは、誰もが――財布の額や市庁舎に掲げられている国旗の額に関わらず――地球の同じ景色を見ることができるということです。「この透明性がどれほど重要であるか、いくら強調してもし過ぎることはありません」とモートン氏は言います。「私たち全員が同じデータを見ているとき、地球の未来について交渉する際の基盤は同じです。そのデータを少数の人々だけが持っていると、力関係が変わってしまうと思います。」

「これは明白で、フィルターがかかっていません」とクック氏も同意する。「誰でもそのデータを入手して、どんな結論でも導き出せます。」

「投資収益率をリストアップすれば、GPS、つまり現在位置を教えてくれる機器に次ぐものだと思います」とクック氏は続ける。内務省とUSGSが2019年に発表した報告書によると、ランドサット画像は2017年に約34億5000万ドルの公共利益をもたらしたと推定されている。これは、研究者、政府機関、企業が使用するデータに対して料金を支払う必要がないことが一因となっている。

商用衛星データは、ランドサット情報ほど科学的に忠実であるとは限りません。例えば、光は必ずしも多くのバンドに分割されているわけではなく、データセットも必ずしも一貫しているわけではありません。研究者の言葉を借りれば、ランドサットのデータは「十分に較正されている」と言えるでしょう。

クック氏は、それが何を意味するのかを理解するためには、クリスマスに暖炉の前で家族のポートレートを撮ったときと、翌年に同じ場所で同じ写真を撮ったときを想像してみるといい、と言う。タイミングと場所が同じであるにもかかわらず、写真がまったく同じようには見えないかもしれない。もしかしたら、あなたの妹は、どちらか一方の写真では青白く見えるかもしれない。なぜそうなるのだろう？「新しいカメラを買ったのかもしれません。あるいは、照明が少し違っていたのかもしれません」とクック氏は言う。もしかしたら、実際に青白くなっているのかもしれない。データが適切に調整されていないため、確実に知ることはできない。ランドサットのデータ処理は適切だ。画像は、現実を反映しない差異を取り除くように処理される。商用衛星会社は、常に同じ基準を維持しているわけではない。実際、ランドサットの調整済みデータを使用して自社のデータを調整している会社もある。

そして最後に、民間衛星企業の中で、ランドサットほど長期にわたるアーカイブを持つ企業はありません。ランドサットは商業画像産業よりも20年以上も前から存在しています。誤解のないよう明確に述べれば、ランドサット計画は絶対確実ではありません。ミッションは遅延し、資金難に見舞われ、衛星は一度爆発事故を起こしました。しかし、政府資金の不安定さを除けば、ランドサットは存続し、企業は方向転換して廃業していくでしょう。「10年にも及ぶ長期のデータアーカイブを維持するインセンティブは必ずしもありません」とアイアンズ氏は言います。「ですから、彼らは素晴らしいデータを取得しているとしても、それが将来の世代のために保存されるかどうかは分かりません。」

ランドサットのアーカイブは、1972年以降大きく変化した世界を映し出している。惑星の一部はこれからも色を変え続け、現れては消え、燃え尽きては再生していく。こうした変化を捉えるのがランドサットの得意分野だ。クック氏はよくこの言葉を思い出す。「生き残るのは最も強い種でも、最も賢い種でもない。生き残るのは、変化に最も適応できる種だ。」

「ただ頭を砂に埋めるのではなく、変化を受け入れることで、潜在能力は大きく高まります」とクック氏は言います。最初のステップは、いつものように、問題を抱えていることを認めることです。次に、その形態をマッピングするのに十分な情報を収集します。