Ziemnicki: Satelity w walce z emisjami CO2. Dokładny monitoring i konkretne wsparcie

1 marca 2021, 07:30 Energetyka
Satelita Freepik
Satelita. Fot. Freepik

Globalne ocieplenie należy do największych wyzwań ludzkości i problemów, których rozwiązanie jest kluczowe dla dalszej obecności naszego gatunku na trzeciej planecie od Słońca. Jednym z czynników powodujących wzrost temperatury na Ziemi jest antropogeniczna emisja gazu cieplarnianego, jakim jest dwutlenek węgla – CO2. U progu trzeciej dekady XXI wieku dysponujemy technologiami satelitarnymi, które pozwalają nie tylko szczegółowo badać naziemne źródła emisji CO2, ale także na różne pośrednie sposoby przyczyniać się do zmniejszania ilości tego gazu w atmosferze – pisze Paweł Ziemnicki, Satellite and Space Technologies Division Manager w Allies Incorporated.

Jak słusznie przestrzega w swojej książce „Globalne ocieplenie. Podręcznik dla Zielonej Prawicy” Jakub Wiech: Efektem kontynuowania rozwoju gospodarczego za pomocą paliw kopalnych jest zatem drastyczny skok zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. (…) Według danych NASA w ciągu ostatnich 170 lat poziom ten wzrósł o 47 procent. I dalej: Według badań to właśnie ten gaz odgrywa kluczową rolę przy podnoszeniu średniej temperatury powierzchni Ziemi, tworząc swoistą warstwę dookoła planety.

Nie bez przyczyny efekt cieplarniany określany jest w języku angielskim terminem greenhouse effect. „Greenhouse” to w języku Szekspira szklarnia. Za sprawą gazów takich jak CO2 w szklarnię zamienia się bowiem nasza atmosfera – gazowa otoczka wokół Ziemi umożliwiająca istnienie na tej planecie życia. Gazy cieplarniane (ang. greenhouse gases) takie jak wspomniany dwutlenek węgla czy metan, zalegają w ziemskiej atmosferze tworząc powłokę, która niczym szyby w szklarni lub folia w tunelu na pomidory, zatrzymuje wewnątrz ciepło. Źródłem owego ciepła jest energia Słońca, która nagrzewa naszą planetę. Następnie planeta oddaje ciepło, emitując je do atmosfery. Zbyt duża koncentracja gazów cieplarnianych w atmosferze sprawia, że nadmiar ciepła nie może tej atmosfery opuścić i uciec w otwartą przestrzeń kosmiczną.

W efekcie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem. Redaktor Wiech nie pozostawia w swojej książce wątpliwości, co do istotnej roli CO2 w całym opisanym wyżej procesie: Gaz ten raz wyemitowany może zalegać w atmosferze przez tysiące lat (…). Co więcej, jak podaje portal skepticalscience.com, dwutlenek węgla wykazuje szczególne właściwości w „przytrzymywaniu” promieniowania [cieplnego – PZ] Ziemi. Problem jest zatem poważny.

Orbitalne oko na sytuację

Zadania związane z monitorowaniem stężenia CO2 nad różnymi obszarami planety wykonują np. takie satelity jak japoński GOSAT-2, chiński TanSat czy amerykański OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2). Ten ostatni został wystrzelony w 2014 roku. Działa na okołobiegunowej, heliosynchronicznej, niskiej orbicie okołoziemskiej, na wysokości ok. 702 km ponad powierzchnią planety. Satelita orbituje z prędkością 7,5 km/s. Jak podaje NASA, urządzenie zbiera globalne pomiary atmosferycznego dwutlenku węgla – głównego generowanego przez człowieka czynnika wywołującego zmiany klimatu – z rozdzielczością, dokładnością i pokryciem potrzebnymi do zrozumienia, w jaki sposób przemieszcza się on w ziemskim ekosystemie i jak to się zmienia w czasie. Spoglądając z kosmosu OCO-2 każdego dnia wykonuje około 100 000 pomiarów atmosferycznego dwutlenku węgla nad [ziemskim] globem.

W 2016 r. dr Stephen Hardwick i dr Heather Graven z Instytutu Grantham, należącego do Imperial College London pisali: Spektrometry satelitarne wykorzystują kilka długości fal do mierzenia CO2 i CH4 [metan – PZ] zgodnie z ich widmami absorpcji. Satelity, które obserwują krótsze długości fal w bliskiej podczerwieni są wrażliwe na stężenie CO2 w pobliżu powierzchni [Ziemi] i dlatego okazały się one najbardziej przydatne w badaniu emisji powierzchniowych.

Postępujący przyrost liczby satelitów dedykowanych badaniu gazów cieplarnianych na orbitach okołoziemskich oznacza, że coraz trudniej będzie poszczególnym krajom czy zakładom przemysłowym ukrywać źródła intensywnej emisji CO2. Już kilka lat temu, na przełomie 2015 i 2016 roku ówczesny Dyrektor Generalny Europejskiej Agencji Kosmicznej prof. Johann-Dietrich Wörner tłumaczył w wywiadzie dla portalu climatechangenews.com: Jeśli masz wystarczającą liczbę satelitów, możesz łatwo zidentyfikować miejsca koncentracji [dwutlenku węgla] i rozwój tych hotspotów. Szef ESA przekonywał: To, czego potrzebujemy w przyszłości, to łączenie danych – wykorzystanie danych z kosmosu, [pomiarów] in situ i systemów lotniczych. Jeśli połączymy je razem, otrzymamy pełny obraz całego świata i możemy uzyskać obraz [emisji] CO2 ze źródeł naturalnych i przemysłowych.

Nic się nie ukryje

Dokładny, globalny i bardzo aktualny monitoring antropogenicznych źródeł emisji CO2 jest celem koalicji Climate TRACE (Tracking Real-time Atmospheric Carbon Emissions). W skład tej grupy wchodzą zarówno innowacyjne firmy technologiczne jak i organizacje non-profit. Na stronie internetowej projektu piszą o sobie tak: Istniejemy po to, by poczynić znaczące kroki w kwestii klimatu szybciej i łatwiej, mobilizując globalną społeczność technologiczną – wykorzystując satelity, sztuczną inteligencję i uwspólnioną wiedzę – do śledzenia emisji powodowanych przez człowieka z określonych źródeł, w czasie rzeczywistym – niezależnie i publicznie.

Początków inicjatywy należy szukać w roku 2019, kiedy to para współzałożycieli TRACE, brytyjski Carbon Tracker oraz WattTime z USA, uzyskały na realizację swojej wizji grant w wysokości 1,7 mln USD od organizacji Google.org. Projekt wspiera również były wiceprezydent USA i orędownik walki ze zmianami klimatycznymi, Al Gore.

Dane wejściowe systemu Climate TRACE będą pochodzić z sensorów naziemnych i morskich, dronów oraz przede wszystkim satelitów, obserwujących Ziemię nie tylko w zakresie światła widzialnego, ale też w podczerwieni, co pozwala celnie wskazywać istotne źródła promieniowania cieplnego na powierzchni naszej planety. Pozyskiwane informacje będą analizowane i przetwarzane przez sztuczną inteligencję, z wykorzystaniem mechanizmów uczenia maszynowego. W efekcie powstanie narzędzie umożliwiające śledzenie emisji CO2 ze źródeł takich jak fabryki, elektrownie, a nawet statki oceaniczne, praktycznie w czasie rzeczywistym.

Pierwsza wersja aplikacji Climate TRACE wraz z pierwszym globalnym raportem mają być dostępne już latem 2021 r. W sektorze elektroenergetycznym jesteśmy najbardziej zaawansowani, podobnie jak [w kwestii] elektrowni opalanych węglem – wyjaśniał Gavin McCormick, dyrektor wykonawczy w WattTime, w wypowiedzi dla portalu greentechmedia.com. McCormick wierzy, że wraz ze wzrostem jego dokładności, [system] Climate TRACE może stać się cennym narzędziem w wielu zastosowaniach, od wykrywania nielegalnych emitentów zanieczyszczeń po dostarczanie danych w celu weryfikacji prawidłowości [operacji] na rynkach handlu limitami emisji oraz [wypełniania] międzynarodowych porozumień klimatycznych, takich jak Porozumienie Paryskie.

Nie tylko podgląd

Oprócz bycia doskonałymi narzędziami do monitorowania źródeł emisji CO2 satelity mogą być także na różne sposoby wykorzystywane już w samym przeciwdziałaniu nadmiarowej obecności dwutlenku węgla w atmosferze. Choćby w zakresie technologii CCS.

CCS (ang. Carbon Capture and Storage) to tzw. sekwestracja dwutlenku węgla. W najbardziej podstawowym modelu proces ten polega na wyłapywaniu CO2 ze źródeł punktowych – takich jak np. elektrownie, cementownie czy fabryki w przemyśle ciężkim, transportowaniu go do składowiska oraz umieszczaniu w takich przestrzeniach, z których ów związek chemiczny nie będzie mógł przeniknąć do atmosfery. Najczęściej mówimy tu o składowaniu geologicznym, pod powierzchnią Ziemi, wewnątrz pól naftowych lub gazowych, bądź też w nieczynnych kopalniach.

Przed wtłoczeniem do takiego składowiska CO2 jest poddawany działaniu bardzo wysokiego ciśnienia, co prowadzi do przejścia tego gazu w stan ciekły (skroplenie). Powstała ciecz jest następnie pompowana do porowatych struktur skalnych, znajdujących się poniżej skalnej warstwy nieprzepuszczalnej. Teoretycznie, w tego typu komorach dwutlenek węgla może być bezpiecznie przechowywany nawet przez następne dziesiątki tysięcy lat.

Jednak podziemne złoża CO2 wymagają stałej kontroli w poszukiwaniu potencjalnych wycieków składowanego gazu cieplarnianego. Jak taki nadzór prowadzić? Jednym ze sposobów jest obserwacja z orbity. Już w 2014 przekonywał o tym dr Jorge Gutierrez del Olmo z Technical University of Madrid. Zdaniem badacza pomocne do tego celu są satelity pozyskujące wysokorozdzielcze i multispektralne zobrazowania powierzchni planety, takie jak np. satelita WorldView-2 należący do amerykańskiej firmy Maxar.

Na wielkopowierzchniowych zobrazowaniach obszarów położonych nad podziemnymi składowiskami CO2 badacze mogą przyglądać się temu, jak zmienia się kondycja rosnącej tam roślinności. Pozyskiwanie satelitarnych obrazów wielospektralnych pozwala bowiem na określanie szeregu indeksów określających stan roślinności – takich jak np. NDVI (ang. Normalized Difference Vegetation Index, czyli znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji). Punktowe wycieki dwutlenku węgla z podziemnej komory składowania mogą istotnie wpływać na kondycję flory w najbliższym otoczeniu takiej nieszczelności. Dane zawarte w zobrazowaniach satelitarnych wskażą wówczas lokalnie zachodzące zmiany indeksów mówiących o kondycji roślin w sąsiedztwie wycieku, umożliwiając tym samym jego dosyć dokładną lokalizację. Znając ją odpowiedzialne służby będą mogły przeprowadzić badania terenowe i w razie potrzeby podjąć środki zapobiegawcze, by CO2 nie przedostawał się do atmosfery.

Stabilność i bezpieczeństwo podziemnych komór skalnych wypełnianych dwutlenkiem węgla można pod jeszcze innym względem sprawdzać z wykorzystaniem satelitów. Chodzi mianowicie o wykrywanie pionowych przemieszczeń terenu nad tego typu magazynami CO2. Obserwowanie wybrzuszeń bądź też miejsc osiadania gruntu umożliwiają satelity radarowe, wyposażone w radary z syntetyczną aperturą (SAR). W tym przypadku wykorzystuje się technikę Satelitarnej Interferometrii Radarowej (ang. SAR Interferometry – InSAR).

InSAR pozwala przyglądać się dużym terenom w poszukiwaniu lokacji, gdzie doszło do pionowego przemieszczenia gruntu. Porównywanie zarejestrowanych w różnym czasie radarowych obrazów tego samego obszaru umożliwia wykrywanie zmian z dokładnością subcentymetrową. Należy tu podkreślić, że wtłoczenie znacznej ilości skroplonego dwutlenku węgla do podziemnej formacji geologicznej może wygenerować nadciśnienie w takim zbiorniku, co w efekcie ma szansę doprowadzić do deformacji gruntu nad składowiskiem. Przykładowo, zastosowanie technologii InSAR pozwoliło wykryć podnoszenie się terenu o 5 mm w skali roku na skutek umieszczenia w podziemnym polu gazowym In Salah w Algierii 3 megaton CO2.

Z korzyścią dla planety i rolnika

Inną dziedziną życia, w której wykorzystanie satelitów może sprzyjać bardziej efektywnemu i przyjaznemu dla planety gospodarowaniu jest rolnictwo. Ciekawy koncept w tym zakresie znalazł się wśród zwycięskich pomysłów w konkursie Copernicus Masters w 2018 roku. Jak można przeczytać na stronie tych zawodów: Copernicus Masters to międzynarodowy konkurs, w którym nagrody przyznawane są za innowacyjne rozwiązania, osiągnięcia i koncepcje dla biznesu i społeczeństwa [tworzone] w oparciu o dane z [satelitarnej] obserwacji Ziemi (EO). EO i duże zbiory danych z kosmosu oferują ogromny potencjał w zakresie tworzenia innowacyjnych produktów i zastosowań dla biznesu i społeczeństwa. Z osiągnięć europejskiego programu Copernicus może skorzystać wiele różnych branż i obszarów zainteresowania publicznego.

Pierwsza edycja Copernicus Masters odbyła się w 2011 r. Konkurs organizowany jest w imieniu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i przy silnym wsparciu Komisji Europejskiej. W edycji z roku 2018, w kategorii „University Challenge”, wygrała inicjatywa: „Soil Carbon Sequestration in Agricultural Systems – Yes We Carbon” (sekwestracja węgla w glebie w systemach rolniczych – Yes We Carbon).

Wyróżniona idea zakłada wykorzystanie satelitów do bardzo szczegółowego monitorowania śladu węglowego generowanego przy uprawach przez konkretnego rolnika. Farmer, który będzie stosował właściwe, przyjazne planecie nawożenie, i tym samym zaoszczędzi ziemskiej atmosferze niepotrzebnej emisji podtlenku azotu (N2O), zostanie za to wynagrodzony. Tego rodzaju polityka będzie motywować gospodarzy do optymalizacji stosowania nawozów azotowych w swoich gospodarstwach.

Jak wynika z opisu inicjatywy Yes We Carbon: Projekt wykorzystuje dane [satelitów] Sentinel-1 i -2 do dostarczania informacji o stanie upraw. Dane Sentinel-3 służą do monitorowania i analizowania pełnego cyklu węglowego, a dane Sentinel-5p służą do pomiaru ilości CO2. (…) dane te poprawią identyfikowalność śladu węglowego rolnika.

Wspomniane wynagrodzenie dla rolnika za oszczędzenie planecie emisji N2O przybierze postać tzw. kredytu. Kredyt ten farmer będzie mógł następnie sprzedać na rynku handlu limitami emisji węglowych, na przykład jakiemuś przedsiębiorstwu. W ten sposób rolnik uzyska dodatkowe źródło dochodu. Prawidłowość całego procesu transakcyjnego ma w tym przypadku zapewnić technologia blockchain.

Hinnerk Gildhoff, ekspert, który w 2018 roku wypowiedział się o zgłoszonym do Copernicus Masters pomyśle, ocenił projekt „Soil Carbon Sequestration in Agricultural Systems – Yes We Carbon” bardzo pozytywnie: Ustanowienie opartego na kredytach systemu optymalizacji zarządzania składnikami odżywczymi może być przełomem w branży rolniczej. Opiera się na zachętach, co prowadzi do adaptowania [rozwiązania]. Ponadto wykorzystanie technologii blockchain zwiększy bezpieczeństwo i zbuduje zaufanie. To rozwiązanie będzie chronić środowisko, a nawet może zwiększyć dochody rolników. Świetny pomysł z dużym potencjałem.

Twórcy projektu Yes We Carbon założyli w kwietniu 2019 r. start-up UptoEarth GmbH. Za cel stawiają sobie stworzenie optymalnych narzędzi do monitorowania oraz mechanizmów umożliwiających dodatkowe zarobki tym rolnikom, którzy w swojej działalności wdrożą metody sprzyjające sekwestracji CO2 z atmosfery. Spółka jest obecnie rozwijana pod opieką inkubatora przedsiębiorczości Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA BIC) w Darmstadt, przy częściowym wsparciu finansowym Unii Europejskiej.

Na stronie internetowej UptoEarth tak zdefiniowano wizję i misję tego przedsiębiorstwa: Zmiany klimatyczne, spowodowane gromadzeniem się gazów cieplarnianych (GHG) w atmosferze, stanowią poważne zagrożenie dla życia ludzi, negatywnie wpływając na środowisko, zdrowie ludzkie i sprawiedliwość społeczną. (…) ograniczenie [emisji CO2] jest uważane za pierwszy międzynarodowy priorytet na drodze do zrównoważonego rozwoju. (…) UptoEarth dąży do zapewnienia skutecznych rozwiązań łagodzących i odwracających skutki zmian klimatycznych oraz promowania bardziej zrównoważonych podejść i praktyk.

Polski wkład

W eliminacji nadmiaru dwutlenku węgla z ziemskiej atmosfery ważną rolę odegrać mogą nieużytki rolne. Dlaczego właśnie te tereny? Ponieważ racjonalne zagospodarowanie tych obszarów nie będzie wymagało ograniczenia areału przeznaczanego do produkcji rolnej i tym samym nie spowoduje spadku podaży w sektorze rolno-spożywczym.

Badaniu potencjalnych możliwości wykorzystania wyżynnych i górskich nieużytków rolnych jako przyszłych rezerwuarów CO2 poświęcony jest międzynarodowy program badawczy MaiL – Identifying Marginal Lands in Europe and strengthening their contribution potentialities in a CO2 sequestration strategy. Finansowany w ramach Horyzontu 2020 projekt rozpoczął się w styczniu 2019 r. i ma potrwać trzy lata. Jego budżet wynosi w przybliżeniu 800 tys. euro.

W MaiL zaangażowanych jest sześć podmiotów z czterech krajów europejskiej Wspólnoty: Niemiec, Grecji, Polski oraz Hiszpanii. Polskę reprezentuje warszawskie Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk. Program ma przyczynić się do efektywnego zlokalizowania wspomnianych górskich nieużytków rolnych oraz oceny ich przydatności do przechwytywania CO2. Owo przechwytywanie ma być realizowane poprzez optymalne zalesianie i ewentualną uprawę właściwej roślinności, tak, by zmaksymalizować zdolność nowopowstałej flory do pochłaniania dwutlenku węgla.

Na terytoriach czterech ww. państw wyznaczono obszary testowe do realizacji badań w ramach MaiL. Jak można przeczytać na stronie programu: Na obszarach pilotażowych MaiL zwiększy osiąganą dokładność, wykorzystując ulepszoną rozdzielczość przestrzenną i radiometryczną w pełni darmowych i ogólnodostępnych zbiorów danych satelitarnych. Należy oczywiście wziąć pod uwagę, że rezultaty badawcze i przyszłe rekomendacje będą różne dla różnych państw, leżących na różnych szerokościach geograficznych, charakteryzujących się innymi warunkami klimatycznymi. Jak informuje na swojej stronie internetowej Zakład Obserwacji Ziemi CBK PAN: MaiL koncentruje się na klasyfikacji górskich i wyżynnych nieużytków rolnych do poszczególnych kategorii sekwestracyjnych węgla atmosferycznego w oparciu o innowacyjne podejście w pełni spójne z metodami Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) oraz wymogami Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu (UNFCCC).

Ekologiczna maska Muska

Na koniec warto zauważyć, że w redukcję CO2 w atmosferze Ziemi mocno zaangażował się również Elon Musk. Ten kosmiczny wizjoner, szef SpaceX oraz Tesli, przeznaczył za pośrednictwem swojej fundacji Musk Foundation nagrodę w wysokości 100 mln USD dla twórców najlepszych rozwiązań na rzecz masowego pozbywania się dwutlenku węgla z atmosfery. Zwycięzców wyłoni czteroletni konkurs, który rozpocznie się 22 kwietnia 2021. Zdobywca I, II oraz III miejsca zdobędzie odpowiednio 50, 20 i 10 mln USD.

Organizatorem rzeczonego konkursu jest Fundacja XPRIZE, znana z prowadzenia wcześniej takich inicjatyw na rzecz postępu w branży kosmicznej jak Ansari X Prize czy Google Lunar X Prize. Celem nowych zawodów pod egidą Musk Foundation jest doprowadzenie do powstania skalowalnego rozwiązania, które pozwoliłoby do roku 2030 usuwać z atmosfery 6 gigaton CO2 rocznie i aż 10 gigaton CO2 rocznie do roku 2050.

Przekaz zamieszczony na stronie internetowej projektu jest utrzymany w niezwykle alarmistycznym dla ludzkości tonie: Aby ludzkość mogła osiągnąć cel Porozumienia Paryskiego, jakim jest ograniczenie wzrostu temperatury na Ziemi do wartości nieprzekraczającej poziomu sprzed epoki przemysłowej o 1,5˚C (a nawet o 2˚C), potrzebujemy odważnych, radykalnych innowacji technologicznych i skalowania, wykraczających poza ograniczenie emisji CO2, ale tak naprawdę [pozwalających] usuwać z powietrza i oceanów CO2 [już tam obecny]. Jeśli ludzkość nie zmieni swojego postępowania, średnia globalna temperatura może wzrosnąć o 6˚C do roku 2100.

Inicjatorzy programu XPRIZE Carbon Removal rzucają zatem wyzwanie najpoważniejszemu ich zdaniem zagrożeniu, jakie stoi obecnie przed gatunkiem ludzkim – globalnemu ociepleniu. Ich celem jest walka ze zmianami klimatycznymi i przywrócenie równowagi w cyklu obiegu węgla na Ziemi. Carbon negativity, not neutrality – to hasło Elona Muska.