本記事は、2020年夏に開催した「Tellus SPACE xData Fes. ONLINE WEEKS 2020」のコンテンツ「7日でマスター！基礎から学ぶ衛星データ講座」にて全日参加いただいた中村綾乃さんに執筆いただきました。開催当時において、中村さんは衛星データ初心者で解析技術がなしという経歴で、衛星データを学んでいただきました。そのような中村さんから見た衛星データの面白さとは。

はじめに

こんにちは、中村綾乃です。この記事は自分の家族や友人が読んで分かるものを意識して書いたもので、いつもの宙畑の記事とは少し毛色が違うかもしれませんね。本記事では、私が面白いと思ったモノや色が見える仕組み、人以外の生き物が見ている世界、そして人工衛星が見ている世界についてお話しします。なんとなくでも分かっていただけたらとても嬉しいです。

1.見えるって何？

誰でも一度はお世話になっている測位衛星のGPS、天気予報などでよく目にする気象衛星ひまわり……。私たちの暮らしの中で人工衛星は欠かせない存在になっています。

そして、私たちに馴染み深い気象衛星ひまわりは地球観測衛星の一種です。地球観測衛星は、私がこうして記事を書いている間も絶えず地球を観測し、データを蓄積しています。

衛星はどうやって地球を「見て」いるのでしょうか。
そもそもモノを「見る」とはどういう仕組みなのでしょうか。

本記事では、地球観測衛星がモノを「見る」仕組みについて、人や動物、虫たちを例に挙げながら説明します。さらに、実際に私が行った地球観測衛星の観測データの使用例も紹介します。

2.人がモノとその色を認識する仕組み

地球観測衛星がモノを「見る」ためには、対象となるモノと光や電磁波との相互作用を利用します。相互作用という言葉はあまり馴染みがないですが、反射や散乱、吸収、発光、屈折など、モノによって光の量や進む向きが変わることを指します。ここでは部屋の中にあるイチゴを男の子が「見る」というシチュエーションを例にとって説明します。

図1をご覧ください。私たちは、電球から出てイチゴによって反射した光を眼でキャッチすることで、ここにイチゴがあると認識します。当たり前ですが、光のない真っ暗な部屋の中だとすれば、イチゴがあるかどうか認識することはできません。

では、私たちはどうやってキャッチした光から「イチゴ」と認識しているのでしょうか？ここで鍵となるのが「色」です。

私たちは当たり前のように色が見える世界に住んでいるので、モノそのものに色がついているように思い込んでしまいます。

でも、実は、モノそのものに色がついているわけではありません。イチゴの場合、イチゴに光が当たって反射した特定の波長の反射光を、私たちの眼が信号として受け取り、初めて赤と分かるのです。

モノに光が当たったとき、モノごとに反射する光の色と吸収する光の色は異なります。

モノが光を反射する割合を波長ごとに示したものを分光反射率といいます。熟したイチゴは、青や緑の波長の光をより多く吸収し、赤の波長の光をより多く反射します。

そのため、主に赤い波長の反射光を眼がキャッチし、私たちは赤だと認識するのです。ちなみに、この赤色の原因はアントシアニンという成分で、アントシアニンはイチゴが熟すにつれて増えていきます。そのためイチゴの成熟前は薄い緑色に、熟すにつれて次第に赤く見えます。

3.光の領域、波長という考え方

さきほどから波長という言葉が度々出てきています。聞いたことはあるけれど、説明はできないという方も多いのではないでしょうか。

光とは、電磁波とよばれる空間を伝わる波の一種で、その波の同じ位相の長さ（繰り返される山から山、もしくは谷から谷までの距離）のことを波長と呼びます。

波長によって眼に見える色が変化し、すべての波長が合わさることで太陽から届く光の色（白色）に、そこからいくつかの波長がかける（吸収・散乱する）ことで赤に見えたり、青に見えたりします。

言葉だけ聞くと難しいかもしれませんね。以下の図4をご覧いただけるとイメージがしやすいでしょう。

人間の眼で感知することのできる波長は可視光と呼ばれる領域です。

可視光より波長が短く「紫の外」にある電磁波を紫外線と呼び、波長が長く「赤の外」にある電磁波を赤外線と呼びます。

紫外線と聞くと、シミやそばかすを作ったり、日焼けなどの炎症を起こしたりするイメージをお持ちかと思います。紫外線は波長が短く、細胞組織を損傷させる力を持つほどエネルギーが強いのです。例えば、真夏の炎天下で長時間日光を浴びると、ひどい日焼けをしますよね。皮膚組織が紫外線により損傷し、炎症を起こした結果です。

赤外線については、身近な例だとテレビやエアコンなどのリモコンで使われています。

4.虫たちの見ている世界

繰り返しになりますが、私たち人間は可視光の範囲でモノを見ることができます。紫外線を眼で見ることはできません。そのため可視光以外の領域は、人間にはどのような色で見えるかまったく分かりません。

ところが1970年代頃から、虫たちは、人間よりもさらに広い近紫外線領域まで見えることが、研究によって分かってきました。

紫外線は文字通り紫の外にある波長ですので、青で表現されることが多いです。
でも本当に青かどうかまでは私たちには見えないので分かりません。

さて、ここでまた疑問が湧きます。なぜ虫たちは紫外線を見ることができるのでしょう。

それは、紫外線領域まで見えることは虫たちにとって、この厳しい自然界で生き残るために、都合がいいからです。

例えば、モンシロチョウは、紫外線を利用して雌雄の区別をしています。可視光で見ると、雌の方が翅（はね）にある斑点が大きいので、人間でも判別できなくはないですが、菜の花畑を飛んでいる蝶を見て区別することは人にとっては容易ではありません。

ところが、モンシロチョウ同士であれば一目瞭然。なぜならば、モンシロチョウは紫外線域までみることができるから。紫外線をあてて撮影してみると、雌の鱗粉は紫外線を反射する構造になっている一方で、雄は吸収するようになっているのです。

実際にモンシロチョウに紫外線を照射した様子を徳島県立博物館のホームページで見ることができますので、ぜひこちらもご覧ください。

また、鮮やかな色彩の花びらをもつ虫媒花は、花粉を鳥や虫に運んでもらい受粉します。こういった受粉を担う虫たちは、色覚が発達しており、近紫外域にまで感度をもつものが多いです。虫媒花を紫外線カメラで撮影すると、蜜が多い場所や花粉は、紫外線を反射する構造になっています。

虫媒花も虫たちに効率よく受粉を手伝ってもらうために、蜜や花粉を紫外線の散乱や吸収を利用して目立たせています。

虫たちが、紫外線領域まで見えるのは、雌雄の区別や食料の確保のためになくてはならない能力だったのですね。

5.地球観測衛星を使って見てみよう

人工衛星は可視光以外の世界、つまり、人間の眼では見えない電磁波も用い、宇宙から観測しています。

本記事では西之島で起きた大きな噴火の様子を地球観測衛星Landsat8とSentinel5P衛星のデータを用いて見てみましょう。

Landsat8の波長領域は可視線～熱赤外線，Sentinel5p衛星の波長領域は紫外線～熱赤外線です。Sentinel5P衛星は、Landsat8より見える範囲が広いですね（図5参照）。

まずは、Landsat8を用いて可視光(人間の眼で見る波長の組み合わせ)で西之島を観測してみます。

西之島とは、小笠原諸島の父島の西に約130kmに位置しています。西之島は、無人の火山島です。有史以降、1973年に噴火が確認され、現在も島の形を大きく変えるほど活発な火山活動が見られます。

以下の画像は、Landsat8衛星によって撮影された西之島の噴火の様子です。Tellusの開発環境を利用してLandsat8の画像を抽出しました。初心者にも分かりやすい操作方法と、丁寧なコードもついています。ぜひお試しください。

可視光で観測するとカメラで撮影したような色彩になっています。私たちにとって馴染み深い色彩ですね。画像から火山活動による噴煙が確認されます。

それでは更に、さきほど紹介したSentinel5P衛星を使って火山ガスに多く含まれる成分を見てみます。ここでは二酸化硫黄（SO₂）に注目します。

SO₂について少し補足をすると、旅行で温泉地に出かけたときに、周辺に卵が腐敗したような匂いを嗅いだことはありませんか？その匂いの成分がSO₂です。

SO₂は地球温暖化や大気汚染の原因となる非常に重要なガスです。SO₂は紫外線の波長域（360nm~390nm）をよく吸収する性質を持ち、Sentinel5P衛星はこの波長域の光を観測し、SO₂の量を定量的に算出します。

Sentinel5P衛星がガスの量を測る原理は、実は2章でイチゴを例に説明した、人がモノを見る仕組みと似ています。電球が太陽、イチゴが地球大気中のSO₂、そして人間がSentinel5P衛星です。この場合は、厳密には反射ではなくSO₂によって吸収や散乱した光を観測します。

さて、Sentinel5P衛星のデータを用いて西之島をプロット（描画）した結果が以下の図です。

私が作成したプロットするためのコードは宙畑のGitHubに掲載しました。また、Sentinel5P衛星のデータはこちらより取得できます。

Sentinel5P衛星のデータは、netcdf4という形式で作成されており、このままでは扱いづらいです。

そのため、私はこのデータを一度csv形式に変換し、pythonというプログラミング言語を使用してプロットしています。

GitHubにはSentinel5P衛星のデータファイル形式の変換からプロットまで、一連の流れを掲載しています。ぜひ画像作成に挑戦してみてください！

6.おわりに

昔、私が小学生の頃、蝶の目から見た世界をテレビ番組で見たことがありました。

蝶の目から見ると、花の花粉や蜜のある場所が青く見えていて、幼いながらに驚いたことを覚えています（前述しましたが、人間は紫外線領域の色が青かどうかは分かりません）。

蝶は紫外線領域まで感知する眼をもっており、そのおかげで蜜や花粉を探しやすくなっていると知りました。

それから、さらに時が経ち、今Sentinel5P衛星のデータを解析する機会に巡り合いました。ふと、蝶は、紫外線領域を見ることができるのだから、ひょっとするとSentinel5P衛星が観測しているSO₂も見えるのではないかと思ったのです。

しかし、よく調べてみるとSentinel5P衛星は、紫外線領域に吸収されやすいSO₂の性質を利用してSO₂を定量的に算出していたのでした。繰り返しになりますが、Sentinel5P衛星は、SO₂が紫外線を吸収しやすい性質を、蝶は、蜜や花粉などが紫外線を反射する性質を利用して情報収集をしていたのですね。

予想が外れてがっかりしたものの、同じ波長領域でも異なる方法で目的を達成するのは面白いなと思います。

さて、ここまでで地球観測衛星がモノを「見る」仕組みについて、人や虫たちを例に挙げながら説明してきました。それぞれが「見る」ための波長領域は異なっていましたね。そして、波長が異なれば見えるモノも異なるのでした。

本記事でそのことをなんとなくでも分かっていただけたら幸いです。

あとがき

ご縁あって、宙畑スタッフの方たちから記事を書かせていただく機会を与えていただきました。

飛び上がるほど嬉しく感謝をする反面、「私なんかが宙畑に記事を書いていいのだろうか」と、これまでに投稿された記事をみて、レベルの高さにすっかり怖気づいてしまいました。

でも、視点を変えると、理系色の強い記事でも、文系の自分にしか書けない記事もあるのではないかと思ったのです。

例えば、家族や友人に話すような感覚で、衛星データを紹介するのはどうかな？　難しい専門用語をなるべく使わず、身近な例を挙げながら説明するのであれば、私にも書けると思ったのです。

職場の方からもアドバイスやあたたかい応援の言葉をいただき、また宙畑スタッフの方からもたくさんのアドバイスをいただき、それらを元に無事執筆することができました。

今までやったことがないことに挑戦するとき、怖気づく瞬間は誰にでもあると思います。

でも人工衛星のように悩みを俯瞰して見ると、解決策は1つだけではないと気づくことができます。また、自分一人で成し遂げたように思えても、実はたくさんの人の応援と協力があってできたんだということも分かります。この記事作成がまさにそうでした。

そして、「Tellus SPACE xData Fes. ONLINE WEEKS 2020」を経て、今私は、人間の眼では見えないものを見えるようにする、そんなお仕事をしています。
改めて宙畑スタッフの皆様、職場のみなさん、家族、友人に心から感謝を申し上げます。
本当にありがとうございました。

【参考】

〇参考図書
虫や鳥が見ている世界　中央新書　浅間茂　著

〇参考URL
・海上保安庁　海洋情報部　西之島　海域火山データベース
・シーシーエス株式会社　光と色の話、第一部、第二部
・虫が視る花？！「虫の目」植物図鑑
・nature asia 【動物学】紫外線視覚を持つ鳥には森の木々が細部まで見える
・徳島県立博物館　モンシロチョウの光り方
・植物のミカタ
・eoPortal Directory Copernicus:Sentinel-5P
・Sentinel-5P-TROPOMI-ATBD-SO2-data-products
・一般財団法人リモート・センシング技術センター(sentinel-5p,landsat-8)