SWOT
SURFACE WATER AND OCEAN TOPOGRAPHY

水面の「高さ」がすべてを語る

水面の高さは、ただの数字ではない。海面のわずかな盛り上がりや傾きは海流と渦の存在そのものであり (海水は高いところから低いところへ地衡流として流れる)、川の水面勾配は流量を、湖の水位変化は貯水量の増減を語る。 つまり高さを測ることは、水の動きと量を測ることだ。SWOTはこの1つの物理量——水面高度——を、 海と陸の区別なく数cm〜10cm級の精度で測ることに全てを賭けた衛星である。

「線」の30年から「面」へ

1992年のTOPEX/Poseidon以来、衛星高度計は海面の高さを測り続けてきたが、測れるのは衛星直下の細い1本の線だけ。 測線の間隔は赤道付近で数百kmも空き、その隙間にある中規模の渦や、そもそも細長い川は捉えられなかった。 SWOTのKaRInは左右あわせて幅120 kmの帯を一度に測量し、海面では15〜20km規模の小さな渦まで解像する。 海洋のエネルギーの大部分はこうした小さな渦が運んでいると考えられており、気候モデルが「見ずに推定してきた」領域に、 初めて実測の目が届いた。

視差で高さを測る — 干渉計の原理

広い帯の高さを測る種明かしが干渉計だ。10mブームの両端にあるアンテナから同じ地点のレーダ反射を受けると、 2つのアンテナまでの距離にごくわずかな差が生じる。この差(位相差)は水面までの角度、すなわち高さの関数になる—— 人間が両目の視差で奥行きを知るのと同じ理屈である。周波数35.75 GHz(Ka帯)という高い電波を使うのは、 波長が短いほど同じ基線で角度分解能が稼げるからで、10mの基線と890kmの高度から水面高度をcm級で割り出す。

世界中の川と湖を、初めて同じ物差しで

陸側の目標は、幅100m以上のすべての川と、250m四方以上のすべての湖沼・貯水池の水位・水面勾配を 繰り返し測ること(要求値。目標はさらに小さい水体まで)。地上の水位計は先進国の大河川に偏り、 アフリカや高緯度の流域はほぼ空白だった。国境をまたぐ川の水利データは政治的に共有されないことも多い。 宇宙からの一律測量は、水文学のデータ地図を書き換えると同時に、「誰の許可もいらない水の観測」という 新しい公共財でもある。

動き出した成果

2023年夏からの観測で、海面ではこれまで見えなかった微細な渦や内部波の「面」の姿が続々と得られ、 陸ではユーコン川のような大河から無名の湖まで水位の時系列が蓄積し始めた。 河川流量の全球推定、氷河湖の決壊監視、高潮・洪水の事後解析など応用は拡大中で、 フィヨルドの奥の異常な水面傾斜から「9日間地球を揺らした謎の信号」の実体を捉えるという 予想外の仕事までやってのけた(エピソード参照)。

10m基線を高さ測量の物差しにする

SWOTの核心は、KaRInの左右アンテナを10m離して置き、同じ水面から戻る電波の位相差を読むことにある。これにより直下の一本線ではなく、衛星の左右に広がる幅120 kmの水面高度を一度に測れる。一方で、基線の向き、ロール角、熱変形、時刻合わせの誤差はすべて水面高度の誤差へ直結する。だから機体設計は「大きなアンテナを載せる」ではなく、「10mの宇宙物差しを常に何cmの精度で知り続ける」ことが中心課題になっている。

国際分業を機体内部に畳み込む

バスと運用の中核はCNES側、KaRInはNASA/JPL側、送信管や一部機器にはCSAと英国側の貢献が入る。複数機関の分担は単なる政治的な名札ではなく、既存の高度計ミッションで積み上げたPoseidon系、DORIS、レーザ測距、GPS受信機、放射計補正を一つの測量システムに束ねるための設計条件だった。SWOTは新しい干渉計を載せつつ、直下高度計を残してJason系列やSentinel-6との連続性も守っている。

冗長系が科学ミッションを救った

2023年1月末のKaRIn高出力増幅系の異常は、主機器そのものを止める重大事象だった。SWOTが単なる高度計衛星にならずに済んだのは、冗長ユニットへ切り替えられる構成にしていたからである。大電力のレーダ、展開マスト、大容量レコーダ2.3 TBという攻めた構成の裏側で、故障時に科学要求を維持するための余裕が設計へ織り込まれていた。

軌道も観測要求から逆算されている

高度890.5 km・傾斜角77.6度の非太陽同期軌道は、地球観測衛星にありがちな「毎日ほぼ同じ地方時で見る」設計とは違う。海洋潮汐や河川変動を同じ時刻の癖に閉じ込めないため、21日回帰の中で観測時刻をずらしながら面を埋める。精密軌道決定のDORIS、GPS、レーザ反射鏡と、大気水蒸気を補正するAMRは、KaRInの広い観測帯をcm級の水面高度へ落とし込むための土台である。