上个世纪六七十年代起，气象和陆地遥感卫星相继投入使用。从那之后，人类就开始以全新的俯瞰视角观察地球。时至今日，卫星图像能清楚地显示出街道、房屋，甚至车辆和行人的细节。衍生的各类地图软件，也已经成为人们旅游出行必不可少的工具。
然而，科学家们对此还远远不满足。今年9月15号，NASA发射了名为 “爱斯塞特2号（ICESat-2， Ice， Cloud and land Elevation Satellite 2）” 的卫星。它将突破平面摄影的限制，为地球拍摄一张清晰的“3D”照片。
图1 爱斯塞特2号运行想象图（图片来源：NASA）
卫星携带一台名叫“阿特拉斯（ATLAS，Advanced Topographic Laser Altimeter System）”的激光测高仪，包括主激光器和备用激光器。阿特拉斯可以发射六束亮绿色激光，高能激光束穿透细碎的云层和雾气到达地面。当激光被地面物体反射时，卫星上的探测器就能捕获信号，从而识别出反射物体。通过这种方式，卫星的探测精度可以达到惊人的70厘米——能够在太空中分辨出街道上跑着的孩童。
爱斯塞特2号的观测目标主要有三类：冰盖、陆地和云层。它重点扫描南北极地的海冰，以及各座高山和高原的冰冻雪层。通过它的监控，我们可以得知冰盖融化速度、冰川质量、海冰厚度等重要信息。
图2 此前NASA已开始一项名为Operation Icebridge的飞机探测项目，检测格陵兰岛及附近的冰层变化。相关数据将用来与爱斯塞特2号比对，以校准卫星。（图片来源：NASA）
当卫星掠过陆地时，它还将扫描森林、湖泊、湿地以及城市地区的高度。由于爱斯塞特2号有极高的灵敏度，它甚至可以精确辨认出森林地面和伸出树林的树冠。通过这些信息，科学家们可以得知一个地区的生物量，并计算出其碳吸收量。当爱斯塞特2号经过城市，它同样记录着建筑、水库、河道、农田等人造物的高度信息。
图3 树木测高示意图（图片来源：NASA）
即便浓云蔽日，爱斯塞特2号仍然能够工作。它可以帮助大气科学家收集关于云层高度、密度、成分等信息。对地表形态与大气的进一步了解，还可以让天体测量学家们完善关于地球本身的信息，从而更好地进行观测工作。
卫星将始终处于开启状态，一旦运行，每天都产生数据。当它飞越加拿大北方的冻原，它可以从解冻区地面的沉降判断出永久冻土层的融化；在沿海地区，它报告潮汐涨落；在丛林地带，它记录植被生长的速度……它还能探测火山爆发和地震带来的地面运动，甚至是滑坡和雪崩等更小型的灾害。
图4 相比于ICESat-1（左），爱斯塞特2号（右）能以更高的网格密度扫描地面。（图片来源：NASA）
尽管爱斯塞特2号每个脉冲都能释放超过20万亿个光子，被地面反射后回到卫星的光子却只有区区十几个。为了收集这少得可怜的反馈，卫星携带一面直径80厘米的望远镜，并安装复杂的滤光和光纤装置。只需捕获1个光子，就能够在探测器中生成信号。望远镜使用了特殊的铍合金材料，尽管结构复杂，却仅重22千克。
爱斯塞特2号的设计周期超过九年，耗资近十亿美元。项目科学代表Tom Neumann说：“爱斯塞特2号使用的技术是镭射激光技术的最前沿。每当我们在设备中应用前沿技术时，总是要花费很长时间测试或调整这些新技术。”
图5 工程师Tyler Evans与望远镜（图片来源：NASA）
爱斯塞特2号的激光器能在3.3毫秒内完成一次数据收集，反应精确到十亿分之一秒，对地球进行一次全身扫描只需91天。这一过程将不断重复，以生成动态图像。在它服役期间，我们可以一览地球春夏秋冬的雪融雪落、树木枯荣、河流跌宕……
当然，爱斯塞特2号满足的不只是我们的好奇心，科学家们同样关心如何将其数据投入使用。早在发射之前，研究者们就公开了若干应用前景：它可被用于定位航道中的冰山，预防火山爆发，建立鸟类栖息地模型……
图6 博伊西州立大学计划利用爱斯塞特2号数据改进半干旱生态系统的碳含量估算方法（图片来源：BSU）
