Моніторинг і протидія зміні клімату: як космічні технології можуть допомогти Землі охолонути

2024 рік став одним із найспекотніших за всю історію кліматичних досліджень. Вперше за часів індустріальної епохи підвищення глобальної середньої температури на Землі наблизилося до відмітки у 1,5°C. Це призвело до аномальної спеки у низці регіонів світу, що супроводжувалося хвилями жари й посухи, які змінялися інтенсивними зливами — підвищення рівня опадів спричиняло повені та зсуви. Особливо загрозлива ситуація склалася в Арктиці, яка через глобальне потепління надалі швидко втрачає об’єми свого льодяного покриву, поступово підвищуючи рівень світового океану.

У питаннях боротьби з глобальними змінами клімату на перший план виходять космічні технології, які дають можливості ретельного моніторингу, аналізу та прогнозування зміни клімату за допомогою орбітальних досліджень земної атмосфери, підвищення рівня світового океану, стану лісів тощо. Космос все ще не вважається панацеєю для боротьби з глобальним потеплінням, проте наразі він є джерелом найбільш вичерпного масиву відомостей стосовно розвитку загрозливої ситуації. Разом ці дані дозволяють приймати рішення, спрямовані на запобігання глобальному потеплінню, йдеться у матеріалі видання MaxPolyakov.space.

Парникова загроза: які гази спричиняють потепління?

Першопричина розвитку глобального потепління полягає у збільшенні концентрації парникових газів у атмосфері Землі. Це призводить до ситуації, за якої великий об’єм парникових газів уповільнює відведення назад у космічний простір сонячного тепла, що нагріває денну частину Землі. Таким чином наша планета опинилася у стані замкненого циклу постійного самопідігріву, і поступове зростання кількості парникових викидів у атмосферу робить цей процес усе більш невідворотним.

Переважну частку, близько 76% від усіх парникових газів становить вуглекислий газ (CO₂), об’єми якого в атмосфері планети почали суттєво зростати зі стартом промислової революції. Основними джерелами викидів вуглекислого газу є важка промисловість та деякі види електрогенерації, що потребують спалювання великих обсягів викопного палива (вугілля, нафти, газу), а також підвищення частки автомобільного транспорту, що працює на бензині та газі. Активна вирубка лісів теж призводить до зменшення здатності Землі поглинати вуглекислий газ. Важливо усвідомлювати, що вуглекислий газ — це довгострокова загроза кліматичній безпеці, адже він може перебувати в атмосфері нашої планети впродовж сотень років.

Другими за вмістом серед парникових газів є метанові викиди (СН₄). Хоча концентрація метану в земній атмосфері значно менша (за різними оцінками, його частка складає до 20% від усіх парникових викидів), він становить куди більшу загрозу в контексті перешкоджання тепловиділенню. Річ у тім, що метанові викиди у 28-34 рази ефективніше сповільнюють процес тепловиділення, порівняно з вуглекислим газом. Найбільше метану потрапляє в атмосферу під час сільськогосподарських типів діяльності (особливо тваринництва та вирощування рису), а також внаслідок утворення стихійних звалищ сміття, яке розкладається і вивільняє в атмосферу великі обсяги газу.

Значно меншу частку парникових газів (біля 4%) становить оксид азоту (N2O), що надходить у атмосферу через використання великої кількості азотних добрив та спалювання корисних копалин. Підвищений вміст водяної пари (Н2О) в атмосфері також є важливим індикатором глобального потепління, оскільки це створює петлю зворотного зв’язку, яка посилює парниковий ефект.

Супутниковий моніторинг викиду парникових газів

З огляду на ключовий аспект відношення вмісту парникових газів у атмосфері Землі до поширення глобального потепління, орбітальний моніторинг їхніх викидів служить першим етапом попередження екологічної загрози. Сьогодні в цьому процесі задіяні одразу декілька супутників від провідних космічних агентств світу та низки комерційних супутникових компаній.

Greenhouse Gases Observing Satellite 1 і 2 (IBUKI-1 та IBUKI-2). Вперше супутник серії GOSAT японське космічне агентство JAXA запустило 23 січня 2009 року. Він став першим апаратом, призначеним саме для спостереження за парниковими викидами в атмосферу. Фіксував уміст метану та вуглекислого газу під час сканування 56 000 вільних точок, пролітаючи над ділянками інтересу на Землі.

У жовтні 2018 року функціонал першого мисливця за парниковими газами від JAXA доповнили новим супутником — GOSAT-2. Він спостерігав за вмістом парникових газів двома пристроями: датчиком теплового і ближнього інфрачервоного діапазону для виявлення парникових викидів TANSO-FTS-2, а також датчиком зображення хмар та аерозолів TANSO-CAI-2 (технічно його реалізовано у вигляді радіометра з функцією сканування за допомогою лінійного датчика та полосного фільтра). Попри те, що GOSAT-2 є японським моніторинговим супутником, він працює за програмою Європейського космічного агентства (ESA) та став важливою частиною сторонніх програм ESA і NASA з відстеження динаміки зміни клімату.

Орієнтовний термін служби обох моніторингових супутників GOSAT — до 2025 року. Тож, щоб не залишатися без важливого інструмента для спостережень за парниковими викидами, JAXA вже запланувало запуск наступної моніторингової місії — GOSAT GW, який має відбутися цього року. Основна відмінність цього супутника від попередніх версій GOSAT полягає у тому, що новий зонд буде здатен стежити не тільки за парниковими газами, але й за водними циклами Землі. Спостереження взаємозв’язку між водними ресурсами та парниковими викидами надасть унікальну можливість комплексно зрозуміти процеси, що стоять за утворенням ефекту глобального потепління.

Orbiting Carbon Observatories (OCO-2 та OCO-3). Запущений ще у липні 2014 року, OCO-2 нещодавно відзначив десяту річницю своєї орбітальної діяльності. OCO-2 став першим моніторинговим супутником NASA для виявлення вуглекислого газу, який оперує до сьогодні. Спостереження OCO-2 лягли в основу багатьох наукових досліджень щодо боротьби із викидами СО₂. 24 квітня 2024 року була оприлюднена наукова праця під назвою: “Попередні умови пом’якшують втрату вуглецю під час раптових посух” за авторством групи дослідників з Parazoo та інших. Відтак виявлено низку ознак, що можуть застерегти щодо посухи за три місяці до її фактичного настання. Праця має велике значення у питаннях попередження посухи, а також адекватного та швидкого реагування на її наслідки.

У 2019 році функціонал ОСО-2 розширили: на японському експериментальному модулі МКС Kibo встановили ОСО-3 — інструмент для виявлення вуглекислого газу в атмосфері Землі. У листопаді 2023 року його зняли зі свого первинного місця базування на МКС задля вивільнення робочого простору під інше наукове обладнання. У липні 2024-го ОСО-3 повернувся до роботи, знову націливши свої сенсори на Землю.

У грудні 2024 року за отриманими даними з ОСО-3 та EMIT (про нього розповімо нижче) вийшла наукова праця під назвою: “Порівняння оцінок інтенсивності викидів CO2 із точкових джерел за результатами майже одночасних спостережень OCO-3 та EMIT“. Вона мала на меті порівняти ефективність розміщених на МКС двох сенсорів для виміру викидів СО₂. У січні 2025 року була опублікована наукова стаття “Атмосферна сухість домінує над післяполудневою депресією глобального наземного фотосинтезу“, що спиралася на зібрану ОСО-3 інформацію. Автори дійшли висновку, що основною причиною зниження інтенсивності фотосинтезу наземних рослин у години після опівдня є атмосферна сухість, а не висока температура, як це вважалося раніше.

Обидві місії ОСО-2 й ОСО-3 досі перебувають в активному статусі та постійно обмінюються даними спостереження з науковими групами, що працюють над проєктами GOSAT і GOSAT 2, задля покращення глобальної обізнаності щодо вмісту парникових газів у атмосфері Землі.

Tanager-1 від Carbon Mapper — іще один американський супутник для моніторингу викидів вуглекислого газу в атмосферу Землі. Був запущений на ракеті SpaceX Falcon 16 серпня 2024 року на виконання космічної місії Transporter 11. Технологія точкового спостереження за викидом парникових газів була розроблена в NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). Основний встановлений на Tanager-1 моніторинговий інструмент — надчутливий спектрометр візуалізації, який має здатність фіксувати навіть дрібні викиди метану та вуглекислого газу, що надходять у атмосферу від окремих підприємств та об’єктів.

Супутник Tanager-1 створено зусиллями некомерційної організації Carbon Mapper. Також безпосередньо у розробці супутника були задіяні представники JPL і Planet Labs PBC. Організація має власний інтернет-портал, де публікуються всі дані щодо парникових викидів, зафіксовані за допомогою Tanager-1 та інших приладів з виявлення викидів, зокрема NASA EMIT.

NASA EMIT (Earth Surface Mineral Dust Source Investigation). Спектрометр візуалізації для дослідження джерела мінерального пилу на поверхні Землі. Інструмент EMIT як складова частина космічної місії EVIT-4 (Earth Ventures-Instrument-4) був запущений на МКС 14 липня 2022 року. Він становить собою оптичний телескоп та спектрометр — разом вони націлені на картографування мінерального складу пилу в посушливих регіонах. Спектрометричні зображення EMIT отримуються за допомогою спектроскопії у видимому та короткохвильовому інфрачервоному діапазоні, коли відбите від Землі світло проходить через заломлювальний елемент кристала фториду кальцію та попадає на увігнуті грати, де світло розкладається на спектри та повертається до фільтра сортування порядків і масиву детекторів.

Масив спектрометричних даних, отриманих за допомогою EMIT, міститься на порталі відкритих даних Visions. Кожен охочий там може ознайомитися з класифікованою інформацією щодо парникових викидів: від точкових джерел засмічення атмосфери до велетенських метанових шлейфів, які тягнуться від основних індустріальних районів у всьому світі.

Європейський супутник Sentinel-5P (Precursor) став першою моніторинговою місією програми Copernicus. Призначався для спостереження за вмістом парникових газів (метану, формальдегіду, аерозолю, оксиду вуглецю) у тропосфері Землі, для чого використовував свій спектрометр TROPOMI. Для отримання даних про стан тропосфери TROPOMI здійснював спостереження у чотирьох основних діапазонах: ультрафіолетовому (UV), видимому (VIS), ближньому інфрачервоному (NIR) і короткохвильовому інфрачервоному (SWIR). Попри восьмирічний термін активності, Sentinel-5P залишається одним із найчутливіших супутників для визначення забруднення нижнього шару атмосфери (висотою до 20 км) цілим різноманіттям парникових викидів. За аналогією з іншими моніторинговими супутниками, угруповання Copernicus також надає відкритий доступ до своїх супутникових даних.

Для пришвидшення процесу виміру вмісту парникових газів у атмосфері деякі компанії пропонують комплексний підхід із залученням множин супутників. Таким чином діє супутникове сузір’я приватної компанії GHGSat. Починаючи з 2016 року, на орбіту було виведено шість моніторингових супутників GHGSat: Claire (2016), Iris (2020), Hugo (2021), Luca (2022), Penny (2023) та Diako (2023). Збільшуючи своє супутникове угруповання, GHGSat розширює можливості охоплення потенційної зони сканування, щоб отримувати оновлення даних спостереження у коротший термін. Супутники працюють на низькій навколоземній орбіті, яка дозволяє робити спектральні зображення у доволі високій роздільній здатності та фіксувати метанові викиди в атмосферу, що походять із джерел діаметром до 25 м. Оновлення даних спостереження відбувається кожні 2-3 доби.

У 2025 році готується до запуску європейський супутник MicroCarb. Перша європейська місія має на меті опис динаміки розповсюдження парникових газів в атмосфері Землі на всьому шляху їхнього існування, починаючи від утворення і закінчуючи процесом поглинання за допомогою лісів та океанів. MicroCarb буде здатен скласти мапу викидів СО₂ над великими містами світу, що допоможе у подальшому плануванні містозабудови. Проєкт керується Космічним агентством Великої Британії та французьким CNES, а розробкою супутника займався підрозділ Thales Alenia Space UK. Станом на лютий 2024 року збірка супутника була закінчена, після чого його доставили у Францію для заключного тестування та підготовки до запуску.

Супутникові місії зі спостереження за рівнем викиду парникових газів залишаються одним із головних, але далеко не єдиним фактором боротьби з глобальним потеплінням. Деякі космічні апарати, виведені на орбіту за останні роки, націлені не на дослідження першопричин виникнення глобального потепління, а на контроль стану головних поглиначів шкідливих газів — лісових масивів.

Супутниковий моніторинг за станом лісів та впровадження моделей на базі ШІ

Головна мета супутникового контролю за станом лісових масивів полягає у запобіганні їхньому скороченню, яке може статися як через природні фактори (лісові пожежі, посухи тощо), так і внаслідок антропогенного впливу, що полягає у промисловій безконтрольній вирубці лісів.

Головні зусилля ESA, спрямовані на моніторинг стану лісових масивів, реалізовані у космічній місії пари супутників Copernicus Sentinel-2. Програма запропонувала розміщення двох ідентичних оптичних супутників на сонячно-синхронній орбіті (SSO) Землі, висота якої становить 786 км. Працюючи разом, вони надають зображення у високій роздільній здатності, зосереджуючись на спостереженнях за станом рослинності, лісових масивів, водних ресурсів, оцінці змін землекористування, а також наслідків стихійних лих.

Запущений 23 червня 2015 року Sentinel-2А та Sentinel-2В, що приєднався до нього 7 березня 2017 року, оснастили MSI — мультиспектральним приладом, який виробляє зображення у 13 спектральних діапазонах з різною довжиною хвилі. Отже, обидва супутники були здатні робити як короткохвильове інфрачервоне зображення земної поверхні, так і звичайні оптичні знімки, без розкладання на спектр. Роздільна здатність отриманих знімків залежала від обраного спектрального діапазону і варіювалася від 10 метрів на піксель (режими ближнього ІЧ-діапазону, синьої, зеленої і червоної полоси сканування) до 60 (режим: водяна пара та водяний аерозоль).

За роки своєї роботи пара апаратів Sentinel-2 надала величезний масив даних спостереження із середнім інтервалом оновлення інформації щоп’ять днів. На початку вересня 2024 року для заміни Sentinel-2А, експлуатаційний термін якого добігав кінця, на орбіту вивели новий супутник — Sentinel-2С. 21 січня 2025 року відбулася своєрідна процедура передачі технічних повноважень від одного супутника іншому. Після 2028 року запланована аналогічна заміна і для Sentinel-2В — на його місце прийде нова модифікація під назвою Sentinel-2D.

У січні цього року увага супутникового угруповання Sentinel-2 була прикута до Каліфорнії, де нищівні лісові пожежі охопили площу у більш ніж 100 км².

Наразі ESA має довгострокові плани на модернізацію системи Sentinel-2, починаючи з 2035 року. Нова генерація супутників під робочою назвою Sentinel-2 Next Generation матиме покращені інструменти для спектрального моніторингу, проте концептуально вони залишаться подібними до попередніх супутників місії Copernicus Sentinel-2.

Супутникове угруповання Sentinel-2 — не єдине діюче для нагляду за станом лісових масивів. На початку січня 2023 року було запущено EOS SAT-1, розроблений компанією EOS Data Analytics. Зонд зосереджується на моніторингу сільськогосподарських земель (для допомоги у землеробстві) та лісових масивів, залучаючи для цього дві свої оптичні камери з можливістю супутникової зйомки у 13 спектральних діапазонах.

EOS Data Analytics пропонує комерційним клієнтам послуги за підпискою через платформу EOSDA Forest Monitoring. Сьогодні вона надає найповніший спектр спостереження за станом лісів: моніторинг динаміки вирубки та відновлення лісів, моніторинг стану здоров’я дерев та їхньої класифікації за породами, моніторинг рівня поглинання конкретною ділянкою лісу вуглекислого газу, оцінку площі лісових пожеж.

Варто зазначити, що платформа EOSDA Forest Monitoring активно використовує алгоритми штучного інтелекту (ШІ) для ретельного аналізу великих масивів даних супутникових знімків і прогнозування розвитку динаміки цих процесів на Землі. Модель на базі машинного навчання, задіяна в Forest Monitoring, має змогу постійно навчатися на попередніх даних спостереження, наполегливо підвищуючи якість своїх прогнозів.

У питанні активного залучення нейромереж у процес аналізу власних моніторингових даних EOS Data Analytics подібна до спільного тристороннього проєкту між NASA, IBM та відкритим ком’юніті ШІ-ентузіастів під назвою Hugging Face. Проєкт націлений на створення геопросторової моделі ШІ з відкритим кодом, що спиратиметься на дані моніторингових супутників Harmonized Landsat Sentinel-2 (HLS), і на сьогодні перебуває на етапі розробки та попереднього тестування.

Ініціатива HLS поєднує дані спостереження моніторингових супутників Landsat 8 та 9 (оперують з 2013 та 2021 року відповідно) і пари супутників Sentinel-2. Головна мета HLS полягає у поєднанні даних спостереження з двох різних інструментів: Operational Land Imager (OLI), встановленого на парі супутників Landsat, і Multi-Spectral Instrument (MSI) на Sentinel-2. Таким чином науковці отримують повнішу картину процесів зміни клімату з великою просторовою роздільною здатністю та значно меншим інтервалом оновлення даних. І ось нарешті на допомогу вченим в обробці цих велетенських масивів даних спостереження HLS має прийти геопросторова модель ШІ.

У якості базової моделі використовується Watsonx.ai від IBM. Сьогодні модель вже пройшла низку тестувань, під час яких її залучали у процеси візуалізації посадки та вирощування дерев у лісогосподарствах Кенії. Іншим випробуванням, яке витримала програма, став аналіз стану теплових островів в одному з передмість Об’єднаних Арабських Еміратів.

Хоча запуск нової моделі ШІ для HLS іще попереду, вже відомо, що вона стане у пригоді для прогнозування та розробки нових наукових методів моніторингу змін клімату, прогнозування розвитку глобального потепління, для полегшення прийняття рішень в оцінці наслідків природних катаклізмів і покращення точності моніторингу різних кліматичних явищ загалом.

Сьогодні супутниковий нагляд за лісовими масивами є одним із ключових факторів в організації природного процесу поглинання парникових газів, який не потребує юридичних механізмів та угод щодо скорочення рівня шкідливих викидів або впровадження національних чи регіональних регуляторних органів для нагляду за рівнем парникових викидів. Зелені лісові масиви позбавлені законодавчих витребеньок стосовно своєї діяльності з очищення атмосфери Землі, тож людству залишається просто наглядати з космосу, щоб вони мали достатньо ресурсу на ведення цієї боротьби.

Джерело: MaxPolyakov.space

Читайте також:

Антарктида стрімко зеленішає через глобальне потепління 

Зростання температури океану б’є рекорди

Зимове потепління на Шпіцбергені досягає точки плавлення