Изменение климата: борьба из космоса

Много лет дистанционное зондирование используется для наблюдения за Землей и изменениями на ней, но оптические снимки имеют свои ограничения. Благодаря новым датчикам и технологиям индустрия коммерческих спутников теперь имеет уникальные возможности для того, чтобы играть более важную роль в борьбе с изменением климата. Также наблюдается рост в направлении глобального партнерства в использовании космических технологий для смягчения последствий изменения климата.

Несмотря на все протесты по поводу глобального потепления, выбросы парниковых газов растут. Второй год подряд ученые NOAA наблюдали рекордное ежегодное повышение уровня метана в атмосфере. Это подтверждается более ранними выводами GHGSat, в которых говорилось, что среднемесячный уровень выбросов увеличился в три раза с января по декабрь 2021 года во всех отраслях промышленности.

Три спутника канадской компании GHGSat, оснащенные специальными датчиками, предоставляют единственные спутниковые данные высокого разрешения, предназначенные для обнаружения промышленных выбросов парниковых газов.

Обнаружение выбросов метана из космоса является новым, и не было доступно до тех пор, пока Европейское космическое агентство не запустило спутник Sentinel-5P в 2017 году. Примерно в то же время GHGSat запустили свой первый спутник для измерения парниковых газов с высоким разрешением.

И то, что показывают все эти спутники, стало шоком — метан вытекает из газопроводов, нефтяных скважин, перерабатывающих заводов и свалок по всему миру. Во многих случаях выбросы не учитываются в обязательных кадастрах парниковых газов.

Carbon Mapper, еще одно глобальное государственно-частное партнерство, запущенное в прошлом году, направлено на заполнение пробелов в формирующейся глобальной экосистеме систем мониторинга метана и CO₂ путем предоставления точных, своевременных и доступных данных в масштабе объекта для принятия научно обоснованных решений и действий.

Ожидается, что данные Carbon Mapper, основанные на широкой коалиции промышленности, правительства, благотворительных организаций и академических институтов, обеспечат более полное, точное и своевременное измерение выбросов метана и CO2 из точечных источников, а также более 25 других показателей.

Planet является одним из ключевых партнеров этой инициативы. Среди других партнеров - Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL), штат Калифорния, Университет Аризоны, Университет штата Аризона и RMI. Инициатива направлена на демонстрацию того, как отношения сотрудничества могут способствовать обмену важной информацией, необходимой для смягчения последствий изменения климата. Запуск первого спутника Carbon Mapper запланирован на 2023 год. Спутники, которых насчитывается около 20, будут построены и эксплуатироваться компанией Planet.

Однако изменение климата связано не только с выбросами, но и с гораздо большим. Оно включает в себя таяние полюсов и увеличение стихийных бедствий. Давайте рассмотрим некоторые из новых спутниковых технологий, которые играют ключевую роль в круглосуточном мониторинге самых постепенных и бесконечно малых изменений на Земле.

Радар с синтезированной апертурой

Самыми большими препятствиями для дистанционного зондирования Земли со спутников являются облачность и невозможность видеть объекты ночью. Поэтому здесь первый план выходят датчики SAR. SAR на спутнике не является новой концепцией, но долгое время она была исключительной прерогативой национальных космических агентств из-за финансовых сложностей. Установка датчика SAR на спутник весом менее 100 кг считалась практически невозможной до того, как компания ICEYE сделала это в 2018 году. С тех пор появилось гораздо больше игроков, но ICEYE продолжает оставаться лидером в этом пространстве с самым большим в мире созвездием спутников SAR — на орбите их 16, каждый весом около 100 кг.

Радарная съемка, в отличие от оптической, является активной, благодаря чему данные съемки показывают поверхность земли сквозь облака, дым и даже темноту. Эти снимки являются отличным инструментом для мониторинга изменений на земле при любой погоде и в ночное время.

С точки зрения климата, наиболее динамичным продуктом компании является решение для мониторинга наводнений ICEYE, которое предоставляет информацию о наводнениях практически в режиме реального времени, включая фактическую глубину воды вокруг зданий в течение 24 часов после пика наводнения. Это удобно для всех отраслей, от страхования и управления рисками, мониторинга наводнений, безопасности на море и обнаружения разливов нефти, мониторинга инфраструктуры, горнодобывающей промышленности и энергетики, а также обороны и разведки.

Помимо этого, датчики SAR могут фиксировать не очень очевидные изменения. Например, 15 января произошло извержение вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай в южной части Тихого океана, которое уничтожило небольшой остров Тонга и лишило жизни и средств к существованию жителей других островов. Крупнейшее извержение в истории спутниковых наблюдений вызвало цунами даже в Карибском бассейне, выбросив газ и пепел через стратосферу в нижнюю мезосферу. Спутниковые снимки показали нам изображения извержения и непосредственного ущерба.

В течение нескольких часов команда по анализу стихийных бедствий в Synspective, японском стартапе, специализирующемся на анализе данных дистанционного зондирования Земли, начала изучать изменения в форме острова и окрестностей. Сравнивая снимки Sentinel-1 SAR до и после, Synspective обнаружил, что остров менялся с течением времени – первое извержение гораздо меньшего размера произошло 20 декабря 2021 года, когда остров был увеличен, затем оно утихло, при этом размер острова уменьшился. Мощное извержение 14-15 января снова привело к повсеместным изменениям.

Synspective также находится в процессе запуска собственной группировки спутников SAR. По состоянию на март 2022 года, компания успешно вывела на орбиту два спутника, и в этом году запустит свой первый коммерческий прототип StriX-1. К 2023 году она планирует иметь шесть спутников, а к 2026 году – 30.

Дистанционное зондирование Земли играет ключевую роль в мониторинге вулканов, особенно в отдаленных районах, которые не могут контролироваться стандартными наземными сетями. При возможности работать ночью или при наличии облачного покрова, спутники SAR быстро становятся предпочтительным инструментом для мониторинга разрушительной деятельности и стихийных бедствий, включая сильные засухи, лесные пожары или наводнения и ураганы.

Радиочастотный анализ из космоса

Спутники радиочастотного мониторинга прослушивают любой вид радиочастотной активности на Земле из космоса. Коммерческие данные радиочастотного мониторинга ранее не были доступны в виде геопространственных наборов данных с открытым исходным кодом до запуска компанией HawkEye 360 своих уникальных спутников в 2018 году. Сегодня она управляет группировкой из трех спутников, которые находятся на низкой околоземной орбите (LEO), поддерживая высокую периодичность съемки в любом месте каждый день.

Анализ радиочастотных данных HawkEye позволил понять всплеск активности в Арктике, одно из последствий таяния морского льда, открывающего круглогодичный доступ. Спутники идентифицировали суда, проходящие по каналам, которых ранее не существовало, и обнаружили различные концентрации ОВЧ-связи в неожиданных местах.

Spire Global, еще одна компания, добившаяся успеха в этой области, располагает созвездием из 140 с лишним наноспутников с несколькими датчиками, включая RF, AIS (автоматические системы идентификации, используемые для отслеживания морских судов), ADS-B (автоматическое зависимое наблюдение в режиме вещания, используемое для воздушного движения) и GNSS-RO (GNSS-радиозатемнение для мониторинга атмосферы).

А поскольку спутники Spire находятся на полярных орбитах и охватывают весь земной шар, компания получает полную глобальную картину атмосферных данных из более чем 10 000 съемок в день, которые они предоставляют различным организациям по всему миру, занимающимся атмосферными наблюдениями, таким как EUMETSAT и NOAA.

Гиперспектральная съемка

Идея гиперспектральной съемки проста — технология анализирует широкий спектр света вместо того, чтобы просто назначать основные цвета RGB каждому пикселю. Соответственно, спутники с гиперспектральными датчиками получают изображения в сотнях спектральных каналов, что позволяет очень точно наблюдать поверхность Земли и различать особенности объектов.

Технология быстро развивается в качестве дополнительного источника данных к обычным оптическим снимкам и SAR, а также важного инструмента для смягчения последствий изменения климата.

Ряд коммерческих организаций начал разработку гиперспектральных спутников. Например, компания Planet в настоящее время работает над запуском гиперспектральной спутниковой группировки в рамках своей работы с Carbon Mapper.

Компания Satellogic является пионером в области коммерческой гиперспектральной съемки с помощью небольших спутников. Данные Satellogic предоставляют важную информацию о наводнениях, оползнях, лесных пожарах, извержениях вулканов и другом, включая последствия таких событий, таких как оценка ущерба населенным пунктам и / или инфраструктуре, мониторинг перемещений населения, составление карт и проверка безопасных маршрутов эвакуации и многое другое.

Точно так же гиперспектральные датчики Orbital Sidekick в космосе позволяют обрабатывать данные, которые собираются для нефтегазовой промышленности, помогая не только обнаруживать утечки на ранней стадии, но и предотвращать их.

Еще один важный пример использования в климатической сфере, над которым работает Orbital Sidekick, - это борьба с лесными пожарами. На Международной космической станции установлен датчик компании MVP, полученные с него данные используются для того, чтобы понять, как компания может создать продукт, который позволил бы пользователю определить место наибольшего риска возникновения лесного пожара. Продукт включает в себя изучение растительности вдоль линий электропередач для коммунальных компаний, а после возникновения пожара прогноз, куда он может распространиться.

Системный подход

Когда речь заходит о чем-то столь огромном и сложном, как изменение климата, не существует универсальной модели. Необходим системный подход, при котором разные датчики обеспечивают разные решения.

Для точного измерения и мониторинга глобальных источников выбросов парниковых газов требуется глобальная система предоставления полного и действенного набора данных, который может выявить источники выбросов на различных уровнях специфичности (географические, по секторам и объектам) и на основе этих данных предписать наилучшие меры по смягчению последствий.

Аналогичным образом, индийская компания Blue Sky Analytics создала переработку геопространственных данных, где вместо того, чтобы рассматривать каждый набор данных как отдельный продукт и создавать техническую инфраструктуру для каждого из них, единая автоматизированная инфраструктура является воспроизводимой и масштабируемой.

Аналитика

За последние два десятилетия произошли значительные улучшения в возможностях обработки данных благодаря прогрессу в облачных сервисах, методах вычислений и доступности API. Такие сервисы, как Google Earth Engine, теперь могут мгновенно предоставлять террабайты данных. Кроме того, благодаря достижениям в области машинного и глубокого обучения, более сложные алгоритмы могут извлекать более глубокие и полезные для принятия решений идеи, что ранее были невозможно.

Аналогичным образом, будь то антропогенное событие или стихийное бедствие, которое может вызвать заметные изменения в растительном покрове, береговой линии или зданиях, аналитика в реальном времени может помочь в оценках, усилиях по оказанию помощи или помочь количественно оценить ущерб для целей страхования.

Например, технология BlackSky будет использоваться этим летом для мониторинга водохранилищ в отдаленных и труднодоступных районах, чтобы проверить цветение водорослей, которое может повлиять на качество питьевой воды. Кроме того, платформа может отслеживать изменения в пологе деревьев муниципалитета, что может сыграть важную роль в смягчении жары. Его возможности автоматического обнаружения позволяют ему отправлять предупреждение властям, уведомляя их о любом сокращении деревьев. Чиновники могли бы сравнить эту информацию с разрешениями на вырубку деревьев и, если вырубка была несанкционированной, прекратить её.

Заключение

До недавнего времени мы могли использовать спутниковые данные, чтобы увидеть, как выглядит планета в различных спектральных диапазонах при разном разрешении. Теперь становится возможным узнать, как дышит наша планета. В течение следующих лет мы сможем понимать экологические процессы на беспрецедентном уровне — обнаруживать выбросы метана для устранения утечек при добыче, измерять органический углерод почвы, измерять качество воздуха и то, как распространяются различные загрязняющие вещества.

Изменение климата влияет на здоровье, сельское хозяйство, энергетику, ресурсы, политические и социальные ландшафты. Настало время, когда локальные измерения и локальные модели не могут помочь: самые насущные проблемы глобальны и взаимосвязаны, и решать их надо глобально.