Мониторинг и противодействие изменению климата: как космические технологии могут помочь Земле остыть

2024 год стал одним из самых жарких за всю историю климатических исследований. Впервые за время индустриальной эпохи повышение глобальной средней температуры на Земле приблизилось к отметке в 1,5°C. Это привело к аномальной жаре в ряде регионов мира, что сопровождалось волнами жары и засухи, сменявшихся интенсивными ливнями — повышение уровня осадков провоцировало наводнения и оползни. Особенно угрожающая ситуация сложилась в Арктике, которая из-за глобального потепления продолжает быстро терять объемы своего ледяного покрова, постепенно повышая уровень мирового океана.

В вопросах борьбы с глобальными изменениями климата на первый план выходят космические технологии, позволяющие тщательно мониторить, анализировать и прогнозировать изменения климата с помощью орбитальных исследований земной атмосферы, повышения уровня мирового океана, состояния лесов и тому подобного. Космос все еще не считается панацеей для борьбы с глобальным потеплением, однако сейчас он служит источником наиболее исчерпывающего массива сведений о развитии угрожающей ситуации. Вместе эти данные позволяют принимать решения, направленные на предотвращение глобального потепления на Земле.

Сегодня разберемся, как именно космические технологии не допускают превращения нашей планеты в засушливый ад.

Парниковая угроза: какие газы вызывают потепление?

Первопричина развития глобального потепления заключается в увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. Это приводит к ситуации, при которой большой объем парниковых газов замедляет отвод обратно в космическое пространство солнечного тепла, нагревающего дневную часть Земли. Таким образом наша планета оказалась в состоянии замкнутого цикла постоянного самоподогрева, и постепенный рост количества парниковых выбросов в атмосферу делает этот процесс все более неотвратимым.

Подавляющую долю, около 76% от всех парниковых газов составляет углекислый газ (CO₂), объемы которого в атмосфере планеты начали существенно расти со стартом промышленной революции. Основными источниками выбросов углекислого газа являются тяжелая промышленность и некоторые виды электрогенерации, требующие сжигания больших объемов ископаемого топлива (угля, нефти, газа), а также повышение доли автомобильного транспорта, работающего на бензине и газе. Активная вырубка лесов тоже приводит к уменьшению способности Земли поглощать углекислый газ. Важно осознавать, что углекислый газ — это долгосрочная угроза климатической безопасности, ведь он может пребывать в атмосфере нашей планеты в течение сотен лет.

Вторыми по содержанию среди парниковых газов являются метановые выбросы (СН₄). Хотя концентрация метана в земной атмосфере значительно меньше (по разным оценкам, его доля составляет до 20% от всех парниковых выбросов), он представляет куда большую угрозу в контексте препятствования тепловыделению. Дело в том, что метановые выбросы в 28-34 раза эффективнее замедляют процесс тепловыделения, по сравнению с углекислым газом. Больше всего метана попадает в атмосферу в результате сельскохозяйственных типов деятельности (особенно животноводства и выращивания риса), а также ввиду образования стихийных свалок мусора, который разлагается, высвобождая в атмосферу большие объемы газа.

Значительно меньшую долю парниковых газов (около 4%) составляет оксид азота (N2O), поступающий в атмосферу при использовании большого количества азотных удобрений и сжигании полезных ископаемых. Повышенное содержание водяного пара (Н2О) в атмосфере также является важным индикатором глобального потепления, поскольку это создает петлю обратной связи, усиливающую парниковый эффект.

Спутниковый мониторинг выброса парниковых газов

Учитывая ключевой аспект соотношения содержания парниковых газов в атмосфере Земли с распространением глобального потепления, орбитальный мониторинг их выбросов служит первым этапом предупреждения экологической угрозы. Сегодня в этом процессе задействованы сразу несколько спутников от ведущих космических агентств мира и ряда коммерческих спутниковых компаний.

Greenhouse Gases Observing Satellite 1 і 2 (IBUKI-1 та IBUKI-2). Впервые спутник серии GOSAT японское космическое агентство JAXA запустило 23 января 2009 года. Он стал первым аппаратом, предназначенным именно для наблюдения за парниковыми выбросами в атмосферу. Фиксировал содержание метана и углекислого газа при сканировании 56 000 свободных точек, пролетая над участками интереса на Земле.

В октябре 2018 года функционал первого охотника за парниковыми газами от JAXA дополнили новым спутником — GOSAT-2. Он наблюдал за содержанием парниковых газов с использованием двух устройств: датчика теплового и ближнего инфракрасного диапазона для выявления парниковых выбросов TANSO-FTS-2, а также датчика изображения облаков и аэрозолей TANSO-CAI-2 (технически он реализован в виде радиометра с функцией сканирования с помощью линейного датчика и полосового фильтра). Несмотря на то, что GOSAT-2 является японским мониторинговым спутником, он работает по программе Европейского космического агентства (ESA) и стал важной частью сторонних программ ESA и NASA по отслеживанию динамики изменения климата.

Ориентировочный срок службы обоих мониторинговых спутников GOSAT — до 2025 года. Чтобы не оставаться без важного инструмента для наблюдений за парниковыми выбросами, JAXA уже запланировало запуск следующей мониторинговой миссии — GOSAT GW, который должен состояться в этом году. Основное отличие этого спутника от предыдущих версий GOSAT заключается в том, что новый зонд будет способен следить не только за парниковыми газами, но и за водными циклами Земли. Наблюдение взаимосвязи между водными ресурсами и парниковыми выбросами предоставит уникальную возможность комплексно понять процессы, стоящие за образованием эффекта глобального потепления.

Orbiting Carbon Observatories (OCO-2 и OCO-3). Запущенный еще в июле 2014 года, OCO-2 недавно отметил десятую годовщину своей орбитальной деятельности. OCO-2 стал первым мониторинговым спутником NASA для обнаружения углекислого газа, работающим до сих пор. Наблюдения OCO-2 легли в основу многих научных исследований по борьбе с выбросами СО₂. 24 апреля 2024 года был обнародован научный труд под названием: «Предварительные условия смягчают утрату углерода во время внезапных засух» авторства группы исследователей из Parazoo и других. Таким образом был выявлен ряд признаков, которые могут предостеречь о засухе за три месяца до ее фактического наступления. Работа очень важна в вопросах предупреждения засухи, а также адекватного и быстрого реагирования на ее последствия.

В 2019 году функционал ОСО-2 расширили: на японском экспериментальном модуле МКС Kibo установили ОСО-3 — инструмент для обнаружения углекислого газа в атмосфере Земли. В ноябре 2023 года его сняли со своего первичного места базирования на МКС для высвобождения рабочего пространства под другое научное оборудование. В июле 2024-го ОСО-3 вернулся к работе, вновь нацелив свои сенсоры на Землю.

В декабре 2024 года на основании полученных данных с ОСО-3 и EMIT (о нем расскажем ниже) вышла научная работа под названием: «Сравнение оценок интенсивности выбросов CO2 с точечных источников за результатами почти одновременных наблюдений OCO-3 и EMIT». Она имела целью сравнить эффективность размещенных на МКС двух сенсоров для измерения выбросов СО₂. В январе 2025 года была опубликована научная статья «Атмосферная сухость доминирует над послеполуденной депрессией глобального наземного фотосинтеза», опирающаяся на собранную ОСО-3 информацию. Авторы пришли к выводу, что основной причиной снижения интенсивности фотосинтеза наземных растений в часы после полудня является атмосферная сухость, а не высокая температура, как это считалось ранее.

Обе миссии ОСО-2 и ОСО-3 до сих пор находятся в активном статусе и постоянно обмениваются данными наблюдения с научными группами, работающими над проектами GOSAT и GOSAT 2, для улучшения глобальной осведомленности о содержании парниковых газов в атмосфере Земли. 

Tanager-1 от Carbon Mapper — еще один американский спутник для мониторинга выбросов углекислого газа в атмосферу Земли. Был запущен на ракете SpaceX Falcon 16 августа 2024 года во исполнение космической миссии Transporter 11. Технология точечного наблюдения за выбросом парниковых газов была разработана в NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). Основной установленный на Tanager-1 мониторинговый инструмент — сверхчувствительный спектрометр визуализации, обладающий способностью фиксировать даже мелкие выбросы метана и углекислого газа, поступающие в атмосферу от отдельных предприятий и объектов.

Спутник Tanager-1 создан усилиями некоммерческой организации Carbon Mapper. Также непосредственно в разработке спутника были задействованы представители JPL и Planet Labs PBC. Организация имеет собственный интернет-портал, где публикуются все данные о парниковых выбросах, зафиксированные с помощью Tanager-1 и других приборов по обнаружению выбросов, в частности NASA EMIT.

NASA EMIT (Earth Surface Mineral Dust Source Investigation). Спектрометр визуализации для исследования источника минеральной пыли на поверхности Земли. Инструмент EMIT как составная часть космической миссии EVIT-4 (Earth Ventures-Instrument-4) был запущен на МКС 14 июля 2022 года. Он представляет собой оптический телескоп и спектрометр — вместе они нацелены на картографирование минерального состава пыли в засушливых регионах. Спектрометрические изображения EMIT получает с помощью спектроскопии в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне, когда отраженный от Земли свет проходит через преломляющий элемент кристалла фторида кальция и попадает на вогнутую решетку, где свет разделяется на спектры и возвращается к фильтру сортировки порядков и массиву детекторов.

Массив спектрометрических данных, полученных с помощью EMIT, содержит портал открытых данных Visions. Каждый желающий там может ознакомиться с классифицированной информацией о парниковых выбросах: от точечных источников засорения атмосферы до гигантских метановых шлейфов, которые тянутся от основных индустриальных районов во всем мире.

Европейский спутник Sentinel-5P (Precursor) стал первой мониторинговой миссией программы Copernicus. Предназначался для наблюдения за содержанием парниковых газов (метана, формальдегида, аэрозоля, оксида углерода) в тропосфере Земли, для чего использовал свой спектрометр TROPOMI. Для получения данных о состоянии тропосферы TROPOMI осуществлял наблюдения в четырех основных диапазонах: ультрафиолетовом (UV), видимом (VIS), ближнем инфракрасном (NIR) и коротковолновом инфракрасном (SWIR). Несмотря на восьмилетний срок активности, Sentinel-5P остается одним из самых чувствительных спутников для определения загрязнения нижнего слоя атмосферы (высотой до 20 км) множеством парниковых выбросов. По аналогии с другими мониторинговыми спутниками, группировка Copernicus также предоставляет открытый доступ к своим спутниковым данным.

Для ускорения процесса измерения содержания парниковых газов в атмосфере некоторые компании предлагают комплексный подход с привлечением множества спутников. Таким образом действует спутниковое созвездие частной компании GHGSat. Начиная с 2016 года, на орбиту было выведено шесть мониторинговых спутников GHGSat: Claire (2016), Iris (2020), Hugo (2021), Luca (2022), Penny (2023) и Diako (2023). Увеличивая свою спутниковую группировку, GHGSat расширяет возможности охвата потенциальной зоны сканирования, чтобы получать обновления данных наблюдения в более короткий срок. Спутники работают на низкой околоземной орбите, позволяющей делать спектральные изображения в достаточно высоком разрешении и фиксировать метановые выбросы в атмосферу, исходящие от источников диаметром до 25 м. Обновление данных наблюдения происходит каждые 2-3 суток.

В 2025 году готовится к запуску европейский спутник MicroCarb — первая европейская миссия, целью которой является описание динамики распространения парниковых газов в атмосфере Земли на всем пути их существования, начиная от образования и заканчивая процессом поглощения с помощью лесов и океанов. MicroCarb будет способен составить карту выбросов СО₂ над крупными городами мира, что поможет в дальнейшем планировании градостроительства. Проект управляется Космическим агентством Великобритании и французским CNES, а разработкой спутника занималось подразделение Thales Alenia Space UK. По состоянию на февраль 2024 года сборка спутника была закончена, после чего его доставили во Францию для заключительного тестирования и подготовки к запуску.

Спутниковые миссии по наблюдению за уровнем выброса парниковых газов остаются одним из главных, но далеко не единственным фактором борьбы с глобальным потеплением. Некоторые космические аппараты, выведенные на орбиту в последние годы, нацелены не на исследование первопричин возникновения глобального потепления, а на контроль состояния главных поглотителей вредных газов — лесных массивов.

Спутниковый мониторинг за состоянием лесов и внедрение моделей на базе ИИ

Главная цель спутникового контроля за состоянием лесных массивов заключается в предотвращении их сокращения, которое может произойти по причине как природных факторов (лесные пожары, засухи и тому подобное), так и ввиду антропогенного воздействия, заключающегося в промышленной бесконтрольной вырубке лесов.

Главные усилия ESA, направленные на мониторинг состояния лесных массивов, реализованы в космической миссии пары спутников Copernicus Sentinel-2. Программа предложила размещение двух идентичных оптических спутников на солнечно-синхронной орбите (SSO) Земли, высота которой составляет 786 км. Работая вместе, они предоставляют изображения в высоком разрешении, сосредотачиваясь на наблюдениях за состоянием растительности, лесных массивов, водных ресурсов, оценке изменений землепользования, а также последствий стихийных бедствий.

Запущенный 23 июня 2015 года Sentinel-2А и присоединившийся к нему 7 марта 2017 года Sentinel-2В оснастили MSI — мультиспектральным прибором, получающим изображения в 13 спектральных диапазонах с разной длиной волны. Таким образом оба спутника способны делать как коротковолновое инфракрасное изображение земной поверхности, так и обычные оптические снимки, без разложения на спектр. Разрешение полученных снимков зависело от выбранного спектрального диапазона и варьировалось от 10 метров на пиксель (режимы ближнего ИК-диапазона, синей, зеленой и красной полосы сканирования) до 60 (режим: водяной пар и водяной аэрозоль).

За годы своей работы пара аппаратов Sentinel-2 предоставила огромный массив данных наблюдения со средним интервалом обновления информации каждые пять дней. В начале сентября 2024 года на смену Sentinel-2А, эксплуатационный срок которого подходил к концу, на орбиту вывели новый спутник — Sentinel-2С. 21 января 2025 года состоялась своеобразная процедура передачи технических полномочий от одного спутника к другому. После 2028 года запланирована аналогичная замена и для Sentinel-2В — на его место придет новая модификация под названием Sentinel-2D.

В январе этого года внимание спутниковой группировки Sentinel-2 было приковано к Калифорнии, где сокрушительные лесные пожары охватили площадь в более чем 100 км².

Сейчас ESA строит долгосрочные планы на модернизацию системы Sentinel-2, начиная с 2035 года. Новая генерация спутников под рабочим названием Sentinel-2 Next Generation будет иметь улучшенные инструменты для спектрального мониторинга, однако концептуально они останутся похожими на предыдущие спутники миссии Copernicus Sentinel-2.

Спутниковая группировка Sentinel-2 — не единственная, функционирующая для надзора за состоянием лесных массивов. В начале января 2023 года был запущен EOS SAT-1, разработанный компанией EOS Data Analytics. Зонд сосредоточился на мониторинге сельскохозяйственных земель (для помощи в земледелии) и лесных массивов, привлекая для этого две свои оптические камеры с возможностью спутниковой съемки в 13 спектральных диапазонах.

EOS Data Analytics предлагает коммерческим клиентам услуги по подписке через платформу EOSDA Forest Monitoring. Сегодня она предоставляет полный спектр наблюдения за состоянием лесов: мониторинг динамики вырубки и восстановления лесов, мониторинг состояния здоровья деревьев и их классификации за породами, мониторинг уровня поглощения конкретным участком леса углекислого газа, оценку площади лесных пожаров.

Стоит отметить, что платформа EOSDA Forest Monitoring активно использует алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) для тщательного анализа больших массивов данных спутниковых снимков и прогнозирования развития динамики этих процессов на Земле. Модель на базе машинного обучения, задействованная в Forest Monitoring, обладает способностью постоянно обучаться на предыдущих данных наблюдения, упорно повышая качество своих прогнозов.

В вопросе активного привлечения нейросетей в процесс анализа собственных мониторинговых данных EOS Data Analytics подобна совместному трехстороннему проекту между NASA, IBM и открытым комьюнити ИИ-энтузиастов под названием Hugging Face. Проект нацелен на создание геопространственной модели ИИ с открытым кодом, которая будет опираться на данные мониторинговых спутников Harmonized Landsat Sentinel-2 (HLS), и сегодня находится на этапе разработки и предварительного тестирования.

Инициатива HLS объединяет данные наблюдения мониторинговых спутников Landsat 8 и 9 (оперируют с 2013 и 2021 года соответственно) и пары спутников Sentinel-2. Главная цель HLS заключается в сочетании данных наблюдения из двух различных инструментов: Operational Land Imager (OLI), установленного на паре спутников Landsat, и Multi-Spectral Instrument (MSI) на Sentinel-2. Таким образом ученые получают полную картину процессов изменения климата с большим пространственным разрешением и значительно меньшим интервалом обновления данных. И вот наконец на помощь ученым с обработкой этих огромных массивов данных наблюдения HLS должна прийти геопространственная модель ИИ.

В качестве базовой модели используется Watsonx.ai от IBM. На сегодняшний день модель уже прошла ряд тестирований, во время которых ее задействовали в процессы визуализации посадки и выращивания деревьев в лесохозяйствах Кении. Другим испытанием, которое выдержала программа, стал анализ состояния тепловых островов в одном из пригородов Объединенных Арабских Эмиратов.

Хотя запуск новой модели ИИ для HLS еще впереди, уже известно, что она будет полезна для прогнозирования и разработки новых научных методов мониторинга изменений климата, прогнозирования развития глобального потепления, для облегчения принятия решений в оценке последствий природных катаклизмов и улучшения точности мониторинга различных климатических явлений в целом.

Сегодня спутниковый надзор за лесными массивами является одним из ключевых факторов в организации естественного процесса поглощения парниковых газов, который не требует юридических механизмов и соглашений по сокращению уровня вредных выбросов или внедрения национальных либо региональных регуляторных органов для надзора за уровнем парниковых выбросов. Зеленые лесные массивы избавлены законодательных прихотей относительно своей деятельности по очистке атмосферы Земли, поэтому человечеству остается просто наблюдать из космоса, чтобы они имели достаточно ресурса на ведение этой борьбы.