9月15日，2018年，上午6:02，一枚德尔塔II型火箭在火和烟雾中从加州中部海岸的范登堡空军基地升空。有效载荷是一颗名为ICESat-2的美国宇航局观测卫星，它的大小与汽车大致相当，重量为3338磅。在地球上方298英里的高度，卫星与火箭分离并进入轨道。之后，它的工作就开始了。
ICESat-2以每小时17448英里的速度环绕地球飞行，开始将其六光束绿色光谱激光瞄准地球表面。它未来三年的目标——如果其机械继续运转，甚至可能长达七年——将是不断测量远处下方的冰川、冰盖、海冰、海洋和树冠。
这次发射并不是什么重大新闻。当任务开始时，很少有人谈论重大突破或革命性想法。事实上，即使是卫星的名字（它是第一颗ICESat的替代品，第一颗ICESat于2003年发射，并在2010年重返大气层时烧毁）也可能给人一种印象，这可能是一部不如原作精彩的续集。既然我们已经对地球了解了很多，特别是格陵兰和南极洲的冰盖正受到气候变暖的威胁，那么它还能告诉我们什么真正新的东西呢？
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
然而，有时进化可能与革命同样重要。一个意想不到的惊喜是，ICESat-2似乎能够窥视北美海岸线沿岸的浅水区，提供有价值的新数据集。在进入轨道仅仅很短的时间后，这颗卫星及其轨道伴侣，另一颗名为Grace-Fo的卫星（仅在几个月前发射）丰富了我们对地球冰冻圈或冰冻区域的观测记录。随着气候变化以显而易见和神秘的方式改变着地球，新一代遥感卫星正在编纂世界最偏远和最难到达的纬度地区正在发生的事情的精细记录。
美国宇航局喷气推进实验室的研究科学家菲利克斯·兰德勒表示：“这确实是理解冰盖行为驱动因素的关键问题——绘制出它未来将要做什么。” 凭借更好的观测数据，我们冰盖模型（目前尚不如大气模型精确）可以向前迈进一大步。
在许多方面，这就是我们现在从太空接收到的好消息。坏消息是，随着来自南极洲和格陵兰岛的数据涌入，冰盖似乎从未如此岌岌可危。
2018年初，ICESat-2 的一项关键工具正在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心进行最后阶段的建造。一天下午，时任 ICESat-2 副项目科学家汤姆·诺伊曼从办公室驱车一小段距离，前往格林贝尔特校区附近的一栋装配大楼去看一看。一个工程师团队正在对阿特拉斯进行最后的润色，阿特拉斯是 ICESat-2 将携带的精密激光器，是其重要的观测工具。正如诺伊曼解释的那样，ICESat 代表冰、云和陆地高程卫星。阿特拉斯是高级地形激光高度计系统的缩写。
阿特拉斯激光器的工作原理是以快速脉冲的形式发射数万亿个光子。这些光子传播 310 英里到达地球表面，当它们撞击冰、水、地球和树梢时，会散射和反弹。但其中一些光子在反弹回卫星时会被收集到。其中蕴含着至关重要的测量。通过定时光子从阿特拉斯发射到地球表面，然后再返回太空卫星的路径，ICESat-2 可以辨别下方世界中微小的高程变化。例如，如果南极洲或格陵兰岛冰川上的冰在几个月内融化并下降几厘米的高度，ICESat-2 就会注意到。海冰也是如此。
在戈达德大楼，诺伊曼解释说：ICESat-2“正在从六个光束同时发出脉冲，每秒 10,000 次。” 他说，这是一个很快的速度，并指出，“如果你眨一下眼睛，大约需要半秒钟。在那段时间里，阿特拉斯将发射激光 5,000 次，在六个光束中，收集 30,000 次测量。”
在卫星的轨道运行期间，这些数据将定期下载到位于北极最北端的一小群岛屿斯瓦尔巴特的地面站。
诺伊曼毫不怀疑这颗新卫星将收集到关于地球极地地区的惊人信息量。在他看来，它也显然是对最初的 ICESat 的重大改进，最初的 ICESat 每秒进行 40 次测量，而不是 10,000 次。“我们在冰盖方面会做得更好，我们在出口冰川方面会做得更好，我们在海冰方面会做得更好，”诺伊曼说。“但我几乎可以肯定，我们将能够用它做一些我们以前从未想过的事情。几周前有人问我，我们是否可以用它来测量企鹅的高度。” 他认真地思考了一下。“然后我想，是的，实际上，可能可以。”
但他实际上无法确定。距离发射还有半年时间。第一次 ICESat 任务最终因其激光器的灾难性故障而受阻。这里也可能出错。
来自卫星的长期数据集不像载人火星任务的戏剧性那样激起公众的兴趣。但在过去的二十年中，地球观测卫星可以说比任何其他技术或实地科学努力都更深刻地改变了我们对地球演变的看法。
例如，最初的 ICESat 是在 1990 年代中期构思的，它在 2003 年 1 月的发射带来了编译以前从未存在过的东西的前景：稳定测量两极（和附近）冰层高度的变化。
碰巧的是，ICESat 是更大战略的一部分。前一年，美国宇航局发射了另一颗卫星，该卫星也旨在汇编极地地区变化记录。另一颗卫星——被称为 Grace，代表重力恢复和气候实验——其技术和方法令人好奇。Grace 不使用激光高度计来测量地球的表面高度，而是使用地球重力的变化来测量水从一个地方到另一个地方的运动。这不仅对测量地球冰冻圈的变化有用，还可以用于检测美国西南部等地的地下水储量的减少。
这个想法在简单性上很优雅，但在执行上很复杂。Grace 不是一台机器，而是一对模块，每个模块的大小都像一辆小型跑车，被送入约 300 英里高度的轨道。一个模块旨在以 137 英里的距离拖在另一个模块之后。关键是每个模块都使用极其灵敏的微波通信系统来精确记录其 137 英里轨道间隙的微小变化。
即使从地球上方数百英里的地方，这些模块也对来自下方的重力敏感。当前导模块接近地球上质量更大——因此重力更大——的部分时，它会被向前拉，实际上只有人头发丝宽度的一小部分。但是，微波通信链路可以反过来测量这种微小的拉力。
因此，例如，当 Grace 经过巨大的格陵兰冰盖时，前导模块会响应重力并向前移动一根头发丝的宽度。在数千次轨道运行过程中，通过测量两个模块之间距离的变化——本质上是重力随时间的变化——美国宇航局的科学家可以确定格陵兰岛和南极洲的冰损失量。到 2016 年，来自 Grace 的数据显示，格陵兰岛平均每年流失约 2860 亿吨冰。与此同时，南极洲每年流失约 1270 亿吨。所有这些冰都落入海洋，并在过程中导致海平面上升。
卫星不会永远存在。它们会耗尽用于在太空中进行关键方向校正的燃料——通常是压缩氮气罐。或者它们的电池或通信设备会出现技术故障。或者，像最初的 ICESat 一样，它们的测量系统停止正常工作，需要将它们从轨道上带下来。
Grace 的运行时间非常长，达到了 15 年，但在 2017 年 10 月停止工作，并被美国宇航局退役。然而，到那时，美国宇航局已经与德国航空航天中心合作建造了一个替代品。替代卫星被称为“Grace Follow-On”——或更简单地说，Grace-Fo。这台机器几乎是其前身的精确复制品，于 2018 年 5 月发射升空。
与 ICESat-2 非常相似，新的 Grace 并不是那种似乎能激发公众想象力的项目。它的目标是继续生成地球上变化的长期记录，特别是冰冷的极地地区的变化。尤其重要的是测量北极，该地区的升温速度已经是地球其他地区的两倍，并密切关注南极洲，南极洲大陆西部的几个巨大冰川——尤其是思韦茨冰川，它的大小与佛罗里达州差不多——看起来越来越不稳定。
与 ICESat-2 一起，Grace-Fo 在 2018 年发射后不久开始向科学界提供数据。从那时起，第二代地球遥感卫星——包括欧洲航天局运营的 CryoSat-2——继续以非凡的精度讲述着地球上鲜有人涉足的地方正在发生的事情。
截至 12 月中旬，ICESat-2 已运行约 14 个月。诺伊曼最近表示，迄今为止，该卫星已拍摄了约 3760 亿次激光“射击”，而第一颗 ICESat 的总射击次数为 20 亿次。换句话说，构成新观测的数据量已经超过了整个原始任务产生的数据量。他还补充说，ICESat-2 上的阿特拉斯激光器的性能远远超出了科学团队的预期。
从 310 英里的高度，激光器已经能够看到冰盖中的裂缝，并测量它们的深度和宽度。与此同时，阿特拉斯还能够探测格陵兰冰盖上的夏季融水池，并测量它们的深度，这种测量指向了一种评估任何给定时间有多少水汇集在冰上的新方法。鉴于格陵兰岛的冰盖在今年夏天经历了非凡的融化季节，这项技术可能被证明对于理解冰盖在温暖的月份如何（以及融化多少）融化非常重要。
然而，让美国宇航局团队特别惊讶的是，ICESat-2 的激光器如何能够绘制世界各地各种海岸线附近的浅水区——这种测量被称为测深法。换句话说，卫星可以帮助创建海岸附近沿海水域深度的广阔地图。
这可能对洪水预测至关重要。对北卡罗来纳州海岸线周围水域深度的新的理解可能对计算机建模人员特别有用，他们试图提前规划因飓风活动加剧以及南极洲和格陵兰岛冰川退缩导致的海平面上升而变得更糟的风暴潮。
与此同时，北极局势的紧迫性——除了格陵兰岛的夏季融化外，北冰洋的漂浮海冰覆盖范围也急剧缩小——使得新卫星的审查变得更加关键。最近几个月，一个与美国宇航局喷气推进实验室合作的团队一直在分析来自 Grace-Fo 的数据，以了解 2019 年格陵兰岛总共损失了多少亿吨冰。（根据一些欧洲科学家的初步估计，在 7 月的热浪期间，格陵兰冰盖仅在一天内就损失了约 110 亿吨冰。）
Grace-Fo 任务的项目科学家兰德勒表示，他相信 2019 年的融化量与目前的记录（发生在 2012 年）一样大。“最终统计数据仍在统计中，”他指出，但从数据中他显然可以看出，格陵兰岛的冰盖已经远远超过了平均融化年份，这意味着其损失可能等于或大于 3000 亿吨。
然而，从 ICESat-2 和 Grace-Fo 中浮现出来的似乎不仅仅是数据。这两项升级后的传感任务以互补的方式朝着更大的目标努力。例如，在测量极地冰盖的高度方面，ICESat-2 擅长评估体积变化；在测量冰的引力方面，Grace-Fo 擅长评估质量变化。
与此同时，ICESat-2 凭借其精密激光器，可以提供冰川变薄和脆弱区域的精细空间分辨率——这种分辨率远优于 Grace。但由于 ICESat-2 每 91 天才调查同一区域，因此 Grace 的频繁监测可以帮助填补空白。这导致了两个卫星记录之间的“数据融合”。“这里各部分的总和确实大于各部分的总和，”兰德勒说。
更重要的是，通过将这些遥感任务与其他研究（欧洲任务；冰上科学家的实地观测；以及正在进行的美国宇航局任务，称为 OMG 或格陵兰海洋融化，该任务测量北极海温以及它们如何侵蚀沿海冰川）相结合，科学家可以掌握更大的图景。喷气推进实验室地球科学研究和任务制定办公室经理弗兰克·韦伯说：“正是通过这三种测量，ICESat-2、Grace-Fo 和 OMG，我们真正解决了这个问题：是什么过程驱动了融化和冰损失？”
换句话说，这些传感工具不仅向我们展示了正在发生的事情。它们还在帮助我们了解如何发生。观测结果准确地向我们展示了格陵兰岛的冰川在哪里变薄最严重，以及南极洲西部的不稳定区域——最令海平面上升专家担忧的区域——是否正在进入不可阻挡的崩溃阶段。
当然，这不仅是科学上的有意义的进步，而且对于数百万居住在海岸附近和仅高于海平面几英尺的人们来说也是有用的数据。随着时间的推移，ICESat-2 和 Grace-Fo 将共同为我们提供更好地模拟极地地区和脆弱沿海定居点的未来的机会。
然而，这些卫星也是一个严峻未来的哨兵。
在它们持续不断的监视中，它们一遍又一遍地提醒我们，我们的世界正在以加速的速度融化。当它们展示我们卓越的技术独创性，当它们向我们倾泻数据流时，它们也同样展示了我们的疏忽。我们眼睁睁地看着地球的问题逐年蔓延和加剧。凭借上帝的视角，我们现在可以袖手旁观，眼睁睁地看着它实时发生。
编者注（1/22/20）：我们在 Undark 的合作伙伴在发布后编辑了这篇文章。原文称 ICESat-2 卫星在与火箭分离时位于地球上方 310 英里处，并且它以每小时 15,660 英里的速度环绕地球飞行。