9月15日，2018年，上午6:02，一枚德爾塔II型火箭在火和煙霧中從加州中部海岸的范登堡空軍基地升空。有效載荷是一顆名為ICESat-2的美國宇航局觀測衛星，它的大小與汽車大致相當，重量為3338磅。在地球上方298英里的高度，衛星與火箭分離並進入軌道。之後，它的工作就開始了。
ICESat-2以每小時17448英里的速度環繞地球飛行，開始將其六光束綠色光譜雷射瞄準地球表面。它未來三年的目標——如果其機械繼續運轉，甚至可能長達七年——將是不斷測量遠處下方的冰川、冰蓋、海冰、海洋和樹冠。
這次發射並不是什麼重大新聞。當任務開始時，很少有人談論重大突破或革命性想法。事實上，即使是衛星的名字（它是第一顆ICESat的替代品，第一顆ICESat於2003年發射，並在2010年重返大氣層時燒燬）也可能給人一種印象，這可能是一部不如原作精彩的續集。既然我們已經對地球瞭解了很多，特別是格陵蘭和南極洲的冰蓋正受到氣候變暖的威脅，那麼它還能告訴我們什麼真正新的東西呢？
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然而，有時進化可能與革命同樣重要。一個意想不到的驚喜是，ICESat-2似乎能夠窺視北美海岸線沿岸的淺水區，提供有價值的新資料集。在進入軌道僅僅很短的時間後，這顆衛星及其軌道伴侶，另一顆名為Grace-Fo的衛星（僅在幾個月前發射）豐富了我們對地球冰凍圈或冰凍區域的觀測記錄。隨著氣候變化以顯而易見和神秘的方式改變著地球，新一代遙感衛星正在編纂世界最偏遠和最難到達的緯度地區正在發生的事情的精細記錄。
美國宇航局噴氣推進實驗室的研究科學家菲利克斯·蘭德勒表示：“這確實是理解冰蓋行為驅動因素的關鍵問題——繪製出它未來將要做什麼。” 憑藉更好的觀測資料，我們冰蓋模型（目前尚不如大氣模型精確）可以向前邁進一大步。
在許多方面，這就是我們現在從太空接收到的好訊息。壞訊息是，隨著來自南極洲和格陵蘭島的資料湧入，冰蓋似乎從未如此岌岌可危。
2018年初，ICESat-2 的一項關鍵工具正在馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心進行最後階段的建造。一天下午，時任 ICESat-2 副專案科學家湯姆·諾伊曼從辦公室驅車一小段距離，前往格林貝爾特校區附近的一棟裝配大樓去看一看。一個工程師團隊正在對阿特拉斯進行最後的潤色，阿特拉斯是 ICESat-2 將攜帶的精密雷射器，是其重要的觀測工具。正如諾伊曼解釋的那樣，ICESat 代表冰、雲和陸地高程衛星。阿特拉斯是高階地形雷射高度計系統的縮寫。
阿特拉斯雷射器的工作原理是以快速脈衝的形式發射數萬億個光子。這些光子傳播 310 英里到達地球表面，當它們撞擊冰、水、地球和樹梢時，會散射和反彈。但其中一些光子在反彈回衛星時會被收集到。其中蘊含著至關重要的測量。透過定時光子從阿特拉斯發射到地球表面，然後再返回太空衛星的路徑，ICESat-2 可以辨別下方世界中微小的高程變化。例如，如果南極洲或格陵蘭島冰川上的冰在幾個月內融化並下降幾釐米的高度，ICESat-2 就會注意到。海冰也是如此。
在戈達德大樓，諾伊曼解釋說：ICESat-2“正在從六個光束同時發出脈衝，每秒 10,000 次。” 他說，這是一個很快的速度，並指出，“如果你眨一下眼睛，大約需要半秒鐘。在那段時間裡，阿特拉斯將發射雷射 5,000 次，在六個光束中，收集 30,000 次測量。”
在衛星的軌道執行期間，這些資料將定期下載到位於北極最北端的一小群島嶼斯瓦爾巴特的地面站。
諾伊曼毫不懷疑這顆新衛星將收集到關於地球極地地區的驚人資訊量。在他看來，它也顯然是對最初的 ICESat 的重大改進，最初的 ICESat 每秒進行 40 次測量，而不是 10,000 次。“我們在冰蓋方面會做得更好，我們在出口冰川方面會做得更好，我們在海冰方面會做得更好，”諾伊曼說。“但我幾乎可以肯定，我們將能夠用它做一些我們以前從未想過的事情。幾周前有人問我，我們是否可以用它來測量企鵝的高度。” 他認真地思考了一下。“然後我想，是的，實際上，可能可以。”
但他實際上無法確定。距離發射還有半年時間。第一次 ICESat 任務最終因其雷射器的災難性故障而受阻。這裡也可能出錯。
來自衛星的長期資料集不像載人火星任務的戲劇性那樣激起公眾的興趣。但在過去的二十年中，地球觀測衛星可以說比任何其他技術或實地科學努力都更深刻地改變了我們對地球演變的看法。
例如，最初的 ICESat 是在 1990 年代中期構思的，它在 2003 年 1 月的發射帶來了編譯以前從未存在過的東西的前景：穩定測量兩極（和附近）冰層高度的變化。
碰巧的是，ICESat 是更大戰略的一部分。前一年，美國宇航局發射了另一顆衛星，該衛星也旨在彙編極地地區變化記錄。另一顆衛星——被稱為 Grace，代表重力恢復和氣候實驗——其技術和方法令人好奇。Grace 不使用雷射高度計來測量地球的表面高度，而是使用地球重力的變化來測量水從一個地方到另一個地方的運動。這不僅對測量地球冰凍圈的變化有用，還可以用於檢測美國西南部等地的地下水儲量的減少。
這個想法在簡單性上很優雅，但在執行上很複雜。Grace 不是一臺機器，而是一對模組，每個模組的大小都像一輛小型跑車，被送入約 300 英里高度的軌道。一個模組旨在以 137 英里的距離拖在另一個模組之後。關鍵是每個模組都使用極其靈敏的微波通訊系統來精確記錄其 137 英里軌道間隙的微小變化。
即使從地球上方數百英里的地方，這些模組也對來自下方的重力敏感。當前導模組接近地球上質量更大——因此重力更大——的部分時，它會被向前拉，實際上只有人頭髮絲寬度的一小部分。但是，微波通訊鏈路可以反過來測量這種微小的拉力。
因此，例如，當 Grace 經過巨大的格陵蘭冰蓋時，前導模組會響應重力並向前移動一根頭髮絲的寬度。在數千次軌道執行過程中，透過測量兩個模組之間距離的變化——本質上是重力隨時間的變化——美國宇航局的科學家可以確定格陵蘭島和南極洲的冰損失量。到 2016 年，來自 Grace 的資料顯示，格陵蘭島平均每年流失約 2860 億噸冰。與此同時，南極洲每年流失約 1270 億噸。所有這些冰都落入海洋，並在過程中導致海平面上升。
衛星不會永遠存在。它們會耗盡用於在太空中進行關鍵方向校正的燃料——通常是壓縮氮氣罐。或者它們的電池或通訊裝置會出現技術故障。或者，像最初的 ICESat 一樣，它們的測量系統停止正常工作，需要將它們從軌道上帶下來。
Grace 的執行時間非常長，達到了 15 年，但在 2017 年 10 月停止工作，並被美國宇航局退役。然而，到那時，美國宇航局已經與德國航空航天中心合作建造了一個替代品。替代衛星被稱為“Grace Follow-On”——或更簡單地說，Grace-Fo。這臺機器幾乎是其前身的精確複製品，於 2018 年 5 月發射升空。
與 ICESat-2 非常相似，新的 Grace 並不是那種似乎能激發公眾想象力的專案。它的目標是繼續生成地球上變化的長期記錄，特別是冰冷的極地地區的變化。尤其重要的是測量北極，該地區的升溫速度已經是地球其他地區的兩倍，並密切關注南極洲，南極洲大陸西部的幾個巨大冰川——尤其是思韋茨冰川，它的大小與佛羅里達州差不多——看起來越來越不穩定。
與 ICESat-2 一起，Grace-Fo 在 2018 年發射後不久開始向科學界提供資料。從那時起，第二代地球遙感衛星——包括歐洲航天局運營的 CryoSat-2——繼續以非凡的精度講述著地球上鮮有人涉足的地方正在發生的事情。
截至 12 月中旬，ICESat-2 已執行約 14 個月。諾伊曼最近表示，迄今為止，該衛星已拍攝了約 3760 億次雷射“射擊”，而第一顆 ICESat 的總射擊次數為 20 億次。換句話說，構成新觀測的資料量已經超過了整個原始任務產生的資料量。他還補充說，ICESat-2 上的阿特拉斯雷射器的效能遠遠超出了科學團隊的預期。
從 310 英里的高度，雷射器已經能夠看到冰蓋中的裂縫，並測量它們的深度和寬度。與此同時，阿特拉斯還能夠探測格陵蘭冰蓋上的夏季融水池，並測量它們的深度，這種測量指向了一種評估任何給定時間有多少水彙集在冰上的新方法。鑑於格陵蘭島的冰蓋在今年夏天經歷了非凡的融化季節，這項技術可能被證明對於理解冰蓋在溫暖的月份如何（以及融化多少）融化非常重要。
然而，讓美國宇航局團隊特別驚訝的是，ICESat-2 的雷射器如何能夠繪製世界各地各種海岸線附近的淺水區——這種測量被稱為測深法。換句話說，衛星可以幫助建立海岸附近沿海水域深度的廣闊地圖。
這可能對洪水預測至關重要。對北卡羅來納州海岸線周圍水域深度的新的理解可能對計算機建模人員特別有用，他們試圖提前規劃因颶風活動加劇以及南極洲和格陵蘭島冰川退縮導致的海平面上升而變得更糟的風暴潮。
與此同時，北極局勢的緊迫性——除了格陵蘭島的夏季融化外，北冰洋的漂浮海冰覆蓋範圍也急劇縮小——使得新衛星的審查變得更加關鍵。最近幾個月，一個與美國宇航局噴氣推進實驗室合作的團隊一直在分析來自 Grace-Fo 的資料，以瞭解 2019 年格陵蘭島總共損失了多少億噸冰。（根據一些歐洲科學家的初步估計，在 7 月的熱浪期間，格陵蘭冰蓋僅在一天內就損失了約 110 億噸冰。）
Grace-Fo 任務的專案科學家蘭德勒表示，他相信 2019 年的融化量與目前的記錄（發生在 2012 年）一樣大。“最終統計資料仍在統計中，”他指出，但從資料中他顯然可以看出，格陵蘭島的冰蓋已經遠遠超過了平均融化年份，這意味著其損失可能等於或大於 3000 億噸。
然而，從 ICESat-2 和 Grace-Fo 中浮現出來的似乎不僅僅是資料。這兩項升級後的感測任務以互補的方式朝著更大的目標努力。例如，在測量極地冰蓋的高度方面，ICESat-2 擅長評估體積變化；在測量冰的引力方面，Grace-Fo 擅長評估質量變化。
與此同時，ICESat-2 憑藉其精密雷射器，可以提供冰川變薄和脆弱區域的精細空間解析度——這種解析度遠優於 Grace。但由於 ICESat-2 每 91 天才調查同一區域，因此 Grace 的頻繁監測可以幫助填補空白。這導致了兩個衛星記錄之間的“資料融合”。“這裡各部分的總和確實大於各部分的總和，”蘭德勒說。
更重要的是，透過將這些遙感任務與其他研究（歐洲任務；冰上科學家的實地觀測；以及正在進行的美國宇航局任務，稱為 OMG 或格陵蘭海洋融化，該任務測量北極海溫以及它們如何侵蝕沿海冰川）相結合，科學家可以掌握更大的圖景。噴氣推進實驗室地球科學研究和任務制定辦公室經理弗蘭克·韋伯說：“正是透過這三種測量，ICESat-2、Grace-Fo 和 OMG，我們真正解決了這個問題：是什麼過程驅動了融化和冰損失？”
換句話說，這些感測工具不僅向我們展示了正在發生的事情。它們還在幫助我們瞭解如何發生。觀測結果準確地向我們展示了格陵蘭島的冰川在哪裡變薄最嚴重，以及南極洲西部的不穩定區域——最令海平面上升專家擔憂的區域——是否正在進入不可阻擋的崩潰階段。
當然，這不僅是科學上的有意義的進步，而且對於數百萬居住在海岸附近和僅高於海平面幾英尺的人們來說也是有用的資料。隨著時間的推移，ICESat-2 和 Grace-Fo 將共同為我們提供更好地模擬極地地區和脆弱沿海定居點的未來的機會。
然而，這些衛星也是一個嚴峻未來的哨兵。
在它們持續不斷的監視中，它們一遍又一遍地提醒我們，我們的世界正在以加速的速度融化。當它們展示我們卓越的技術獨創性，當它們向我們傾瀉資料流時，它們也同樣展示了我們的疏忽。我們眼睜睜地看著地球的問題逐年蔓延和加劇。憑藉上帝的視角，我們現在可以袖手旁觀，眼睜睜地看著它即時發生。
編者注（1/22/20）：我們在 Undark 的合作伙伴在釋出後編輯了這篇文章。原文稱 ICESat-2 衛星在與火箭分離時位於地球上方 310 英里處，並且它以每小時 15,660 英里的速度環繞地球飛行。