Порочный круг изменения климата, природных пожаров и загрязнения воздуха оказывает все более негативное воздействие на здоровье людей, экосистемы и сельское хозяйство, говорится в новом докладе Всемирной метеорологической организации (ВМО).

Ключевые сообщения

• В Бюллетене ВМО по качеству воздуха и климату освещаются взаимосвязи
• Борьба с загрязнением воздуха и изменением климата — беспроигрышное решение
• Дым от природных пожаров вредит здоровью людей, экосистем и сельскохозяйственных культур
• Выбросы от природных пожаров пересекают границы и целые континенты
• Уровни содержания твердых частиц свидетельствуют о различных региональных тенденциях

В Бюллетене ВМО по качеству воздуха и климату особое внимание уделяется природным пожарам. В нем также рассматриваются глобальные и региональные уровни загрязнения твердыми частицами и их вредное воздействие на сельскохозяйственные культуры в 2023 году.

Бюллетень ВМО по качеству воздуха и климату был выпущен к Международному дню чистого воздуха для голубого неба 7 сентября. Тема этого года — «Инвестировать в чистый воздух сейчас». Загрязнение воздуха ежегодно приводит к преждевременной смерти более 4,5 миллионов человек и наносит большой ущерб экономике и окружающей среде.

В Бюллетене, четвертом в ежегодной серии, исследуется сложная взаимосвязь между качеством воздуха и климатом.

Химические вещества, которые приводят к ухудшению качества воздуха, обычно выделяются вместе с парниковыми газами. Таким образом, изменения в одном неизбежно влекут за собой изменения в другом.

Качество воздуха, в свою очередь, влияет на здоровье экосистем, поскольку загрязнители воздуха оседают из атмосферы на поверхность Земли. Осаждение азота, серы и озона снижает качество услуг, предоставляемых природными экосистемами, таких как чистая вода, биоразнообразие и хранение углерода.

«Вопросы изменения климата и качества воздуха не могут рассматриваться по отдельности. Они неразрывно связаны и должны решаться вместе. Признание этой взаимосвязи и соответствующие действия были бы беспроигрышным вариантом для здоровья нашей планеты, ее населения и нашей экономики», — говорит заместитель Генерального секретаря ВМО Ко Барретт.

«Этот Бюллетень по качеству воздуха и климату касается 2023 года. В первые восемь месяцев 2024 года наблюдалось продолжение этих тенденций: сильная жара и продолжительная засуха усилили риск природных пожаров и загрязнения воздуха. Изменение климата означает, что мы сталкиваемся с этим сценарием все чаще. Междисциплинарная наука и исследования — ключ к поиску решений», — сказала Ко Барретт.

Концентрация твердых частиц в мире в 2023 году

Твердые частицы PM2.5 (т. е. с диаметром 2,5 микрометра или меньше) представляют серьезную опасность для здоровья, особенно при длительном вдыхании. Источниками являются выбросы от сжигания ископаемого топлива, природные пожары и разносимая ветром пустынная пыль.

Для оценки глобальных концентраций твердых частиц (PM) в Бюллетене ВМО по качеству воздуха и климату использовались два независимых и разных продукта: Службы мониторинга атмосферы в рамках программы «Коперник» и Бюро глобального моделирования и ассимиляции (ГМАО) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.

Оба продукта показали, что природные пожары в Северной Америке привели к исключительно высоким выбросам PM2.5 по сравнению с базовым периодом 2003—2023 гг.

Уровни PM2.5, превышающие средние, также были зафиксированы в Индии из-за увеличения выбросов загрязняющих веществ в результате деятельности человека и промышленности.

В Китае и Европе, напротив, уровень выбросов оказался ниже среднего благодаря снижению антропогенных выбросов. Эта тенденция сохраняется с тех пор, как Бюллетень впервые был опубликован в 2021 году.

Аномалия PM2.5 (мкг/м3) в 2023 г. (базовый период 2003—2022 гг.)
Сгенерировано на основе реанализа CAMS

Реанализ NASA GMAO GEOS-IT (https://gmao.gsfc.nasa.gov/GMAO_products/GEOS-IT/) NASA

Воздействие твердых частиц на сельскохозяйственные культуры

Твердые частицы оказывают серьезное влияние не только на здоровье, но и на сельское хозяйство. Это может привести к снижению урожайности в районах, где максимальная урожайность имеет решающее значение для обеспечения населения продовольствием.

Глобальные «горячие точки» включают сельскохозяйственные районы Центральной Африки, Китая, Индии, Пакистана и Юго-Восточной Азии.

Экспериментальные данные, полученные в Китае и Индии, показывают, что твердые частицы могут снижать урожайность сельскохозяйственных культур на 15 % в сильно загрязненных районах. Они уменьшают количество солнечного света, попадающего на поверхность листьев, и физически блокируют устьица листьев, которые регулируют обмен водяного пара и углекислого газа с атмосферой.

Сельское хозяйство само по себе является основным источником выбросов твердых частиц и их прекурсоров в результате выжигания стерни, внесения удобрений и пестицидов, обработки почвы, сбора урожая, а также хранения и использования навоза.

В Бюллетене предлагаются практические решения, включая посадку деревьев или кустарников для физического укрытия сельскохозяйственных культур от местных источников PM, что обеспечит дополнительную связывание углерода и преимущества для биоразнообразия.

Природные пожары

В 2023 году как в Северном, так и в Южном полушарии наблюдались сезоны повышенной активности природных пожаров.

Существует множество различных причин возникновения природных пожаров, включая управление земельными ресурсами и действия человека (как случайные, так и поджоги). Но изменение климата также играет косвенную роль, увеличивая частоту и интенсивность периодов волн тепла и продлевая засуху. Такие условия повышают риск и вероятность распространения природных пожаров, что, в свою очередь, оказывает серьезное влияние на качество воздуха.

«Дым от природных пожаров содержит ядовитую смесь химических веществ, которая не только влияет на качество воздуха и здоровье человека, но и наносит ущерб растениям, экосистемам и сельскохозяйственным культурам, а также приводит к увеличению выбросов углерода и, соответственно, парниковых газов в атмосферу», — говорит д-р Лоренцо Лабрадор, научный сотрудник сети Глобальной службы атмосферы ВМО, составившей Бюллетень.

Согласно Канадской национальной базе данных о пожарах, сезон природных пожаров 2023 года установил многолетний рекорд в Канаде по общей площади выгоревших земель: в семь раз больше гектаров было сожжено, чем в среднем за 1990—2013 годы.

С первой недели мая на западе Канады (где было необычайно тепло и сухо) до конца сентября бушевало множество крупных и продолжительных пожаров. Это привело к ухудшению качества воздуха на востоке Канады и северо-востоке США, особенно в Нью-Йорке (в начале июня). Дым переносился через Северный Атлантический океан до южной Гренландии и Западной Европы.

Это привело к тому, что суммарные выбросы твердых частиц и углерода значительно превысили среднегодовые показатели по крайней мере за последние 20 лет.

Среднемесячная аномалия общей оптической плотности аэрозоля на длине волны 550 нм для июня 2023 г. по сравнению с июнем 2003—2022 гг. (https://ads.atmosphere.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/cams-global-reana…)
Реанализ глобального состава атмосферы CAMS (2003—2023 гг.)

В январе и феврале 2023 года центральные и южные районы Чили были охвачены разрушительными природными пожарами, в результате которых погибли по меньшей мере 23 человека. Более 400 пожаров, многие из которых были преднамеренными, привели к возгоранию обширных площадей плантаций и лесов. Высокие температуры и ветры способствовали возникновению пожаров в районе, пострадавшем от повсеместной засухи, которая длится уже более десяти лет. Национальная информационная система о качестве воздуха зафиксировала повышенные уровни всех загрязнителей воздуха на всех станциях.

В результате на нескольких станциях мониторинга резко возросло ежедневное кратковременное воздействие озона. Власти Чили объявили чрезвычайное экологическое положение в различных регионах центральной части страны.

«Одновременные наблюдения за содержанием озона, оксида углерода, оксидов азота и PM2.5 в центральной части Чили свидетельствуют о серьезном ухудшении качества воздуха, вызванном интенсивными и постоянными природными пожарами, которые стали более частыми в условиях потепления климата», — пишут авторы Бюллетеня.

В Бюллетене по качеству воздуха и климату также затрагивается:

Аэробиология. Точная и своевременная информация о концентрациях так называемых «первичных биологических аэрозолей» (например, пыльцы растений, спор грибов, бактерий и т. д.) востребована врачами и аллергиками, специалистами в области сельского и лесного хозяйства, исследователями изменения климата, биоразнообразия и качества воздуха, и многими другими.

Биоаэрозоли играют важную роль в изучении климата: растительность является одним из наиболее чувствительных индикаторов изменения климата. Изменения биоразнообразия и времени цветения растений, его интенсивность и характер распределения чувствительны к метеорологическим условиям.

За последние несколько лет, благодаря технологическому прогрессу, новые технологии позволили получать информацию о концентрации биоаэрозолей в режиме реального времени. Эти новые методы открывают совершенно новые возможности для широкого круга сторон, интересующихся биоаэрозолями.

 

Ссылка: https://wmo.int/ru/news/media-centre/porochnyy-krug-izmeneniya-klimata-prirodnykh-pozharov-i-zagryazneniya-vozdukha-imeet-sereznye

 

Влияние климата на будущий спрос на городское отопление и охлаждение (Heating and Cooling, H&C) имеет решающее значение для устойчивого энергетического планирования. Существующие глобальные прогнозы H&C в основном делаются без учёта будущих двусторонних биофизических обратных связей между городским климатом и использованием H&C. Здесь, используя гибридную модельную структуру, авторы показывают, что распространённые методы градусо-дней искажают величину, нелинейность и неопределённость в климатически обусловленных прогнозах изменений спроса на энергию H&C из-за отсутствия двусторонних обратных связей. Обнаружено 220%-ное увеличение (47%-ное уменьшение) спроса на энергию охлаждения (отопления) с усиленной неопределённостью к 2099 году в сценарии очень высоких выбросов, примерно вдвое больше, чем прогнозировалось предыдущими методами. Пространственно разнообразные реакции спроса H&C на потепление климата подчёркивают разрозненные проблемы, с которыми сталкиваются отдельные города, и требуют городского энергетического планирования с учётом локальных взаимодействий климата и энергии. Это исследование указывает на острую необходимость явного и динамического моделирования потребления городской энергии в секторе ЖКХ для планирования энергетики с учётом изменений климата.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02108-w

 

Объём арктического морского льда является ключевым климатическим индикатором и источником памяти в прогнозах морского льда, но страдает от большой неопределённости в данных наблюдений и модельных результатах. Авторы проверяют, ограничивают ли данные пассивного микроволнового сканирования долгосрочную эволюцию объёма арктического морского льда, как недавно предполагалось. Найдено много общего в изменениях объёма арктического морского льда из временного ряда толщины морского льда пассивным микроволновым сканированием 1992-2020 гг., реконструированного с помощью обученного на лидарной альтиметрии алгоритма нейронной сети и референтного реанализа PIOMAS: относительно низкие различия в среднем значении объёма арктического морского льда (4615 км³, 37%), его тенденциях (46 км³, 17%) и фазовой изменчивости (r²=0,55). Ключом к уменьшению различий является последовательная эволюция многих факторов, вносящих вклад в формирование объёма арктического морского льда: сезонный и многолетний ледовый покров, их контраст с толщиной морского льда, тогда как многолетняя толщина морского льда обеспечивает наибольший оставшийся источник неопределённости. Авторы утверждают, что пассивное микроволновое сканирование включает полезную информацию о толщине морского льда, снижая неопределённость в оценке объёма арктического морского льда. Они предвидят прогресс от использования реанализов морского льда, объединяющих результаты динамических моделей и ассимиляцию данных оценок толщины морского льда посредством пассивного микроволнового сканирования, в дополнение к уже ассимилированной концентрации морского льда.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-024-70136-9

 

Глобальное потепление быстро отклоняет климатические условия от тех, к которым адаптированы общества и экосистемы. В то время как масштабы изменений в среднем и экстремальном климате широко изучаются, региональные темпы изменений, ключевой фактор климатического риска, получили меньше внимания. Авторы, используя большие ансамбли имитационных моделей климата, показывают, что большие части тропиков и субтропиков, где проживают 70% нынешнего населения мира, как ожидается, испытают сильные (>2 среднеквадратических отклонений) совместные темпы изменения экстремальных температур и осадков в течение следующих 20 лет в сценарии с высоким уровнем выбросов, снижающиеся до 20% при сильном смягчении выбросов. Это доминирует при экстремальных температурах, причём большая часть мира испытает необычные (>1 среднеквадратического отклонения) скорости относительно доиндустриального периода, но необычные изменения также происходят для экстремальных осадков в северных высоких широтах, южной и восточной Азии и экваториальной Африке. Однако внутренняя изменчивость высока для 20-летних тенденций, что означает, что в ближайшей перспективе тенденции противоположного знака всё ещё вероятны для экстремальных осадков и редки, но не невозможны для экстремальных температур. Также обнаружено, что быстрая очистка выбросов аэрозолей, в основном над Азией, приводит к ускоренному совместному увеличению темпераеурных экстремальных значений и влияет на азиатские летние муссоны.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01511-4

 

Канада имеет основные источники атмосферного метана (CH₄), обладая вторыми по величине в мире бореальными водно-болотными угодьями и четвёртым по величине производством природного газа в мире. Однако оценки выбросов CH₄ в Канаде остаются неопределёнными. Более точная количественная оценка и характеристика выбросов CH₄ в Канаде имеют решающее значение для стратегий смягчения последствий изменения климата. Чтобы улучшить понимание выбросов CH₄ в Канаде, авторы провели ансамблевую региональную инверсию для 2007–2017 гг., ограниченную сетью измерений на поверхности Environment and Climate Change Canada (ECCC). Десятилетние оценки CH₄ не показывают значительной тенденции, в отличие от некоторых исследований, сообщавших о долгосрочных тенденциях. Общая оценка эмиссии CH₄ составляет 17,4 (15,3–19,5) Тг CH₄ в год, разделённая на естественные и антропогенные источники в 10,8 (7,5–13,2) и 6,6 (6,2–7,8) Тг CH₄ в год соответственно. Оценочная антропогенная эмиссия выше, чем инвентаризационные данные, в основном в западной Канаде (с ориентированной на ископаемое топливо промышленностью). Кроме того, результаты показывают заметные пространственно-временные характеристики. Во-первых, смоделированные различия в атмосферном содержании CH₄ между участками показывают улучшение после инверсии по сравнению с наблюдениями, это подразумевает, что различия в наблюдениях CH₄ могут помочь в проверке результатов инверсии. Во-вторых, сезонные колебания демонстрируют медленное начало и максимум в конце лета, что указывает на то, что поток CH₄ с водно- болотных угодий имеет гистерезисную зависимость от температуры воздуха. В-третьих, естественные выбросы CH₄ в бореальную зиму, которые обычно считаются незначительными, по-видимому, поддаются количественной оценке (≥ 20% годовых выбросов). Понимание зимних выбросов важно для прогнозирования климата, поскольку зима в Канаде теплеет быстрее, чем лето. В-четвёртых, межгодовая изменчивость оценочных выбросов CH₄ положительно коррелирует с летними аномалиями температуры воздуха. Это может увеличить естественные выбросы CH₄ в Канаде в условиях потепления климата.

 

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/24/10013/2024/

 

Аэрозоли и альбедо поверхности имеют решающее значение для балансировки энергетического бюджета Земли. С изменениями типов поверхности и соответствующего её альбедо в последние годы возникает интригующий, но нерешённый вопрос: как аэрозольный прямой радиационный эффект и аэрозольный эффект потепления изменяются с изменением альбедо поверхности? Авторы исследуют критическое значение альбедо поверхности, ведущее к сдвигу аэрозольного прямого радиационного эффекта с отрицательного на положительный при изменении свойств аэрозоля, а также влияние альбедо поверхности на аэрозольный прямой радиационный эффект. Результаты показывают, что аэрозольный эффект потепления часто происходит в средних и высоких широтах или регионах с аэрозолями с высокой поглощающей способностью, с критическим альбедо поверхности в диапазоне от 0,18 до 0,96. Более тонкие слои и/или более поглощающие аэрозоли статистически чаще вызывают аэрозольный эффект потепления. В регионах, где тенденция альбедо поверхности значительна, оно снизилась на −0,012/десятилетие, вызвав изменение аэрозольного прямого радиационного эффекта на −0,2 ± 0,17 Вт/м²/десятилетие, с наиболее выраженными изменениями в Северном полушарии в июне-июле. По мере снижения альбедо поверхности авторы выделяют усиленное охлаждение аэрозольного прямого радиационного эффекта или сниженный аэрозольный эффект потепления, что указывает на более сильное аэрозольное охлаждение, частично противодействующее росту энергии от снижения альбедо поверхности.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52255-z

 

Континентальные окраины получают, обрабатывают и секвестрируют большую часть органического углерода суши (terrOC), выбрасываемого в океан. В Арктике увеличение речного стока и разрушение многолетней мерзлоты, как ожидается, усилят высвобождение и деградацию terrOC, что приведёт к закислению океана и перемещению CO₂ в атмосферу. Однако процессы, контролирующие транспорт terrOC за пределы континентального шельфа, и количество terrOC, достигающего склона и подъёма, описаны плохо. В данной работе авторы изучают транспорт terrOC к континентальному склону моря Лаптевых и подъёму с помощью зондирования поверхностных осаждений с распределением двух изотопных (δ¹³C/Δ¹⁴C) источников, диагностическими наземными биомаркерами деградации (н-алканы, н-алкановые кислоты, лигнин-фенолы) и коэффициентами накопления массы (MAR) на основе ²¹⁰Pb_xs. MAR-terrOC (г м⁻² год⁻¹) уменьшается с 14,7 ± 12,2 на шельфе до 7,0 ± 5,8 на склоне и до 2,3 ± 0,3 для подъёма. Масштабирование этого значения до соответствующих режимов даёт, что 80% terrOC накапливается на шельфе, в то время как 11% и 9% накопления происходит в отложениях склона и подъёма соответственно. Реминерализация terrOC подтверждается биомаркерными прокси-коэффициентами деградации (CPI н-алканов и 3,5Bd/V), указывающими на 40- и 60%-ное увеличение деградации terrOC от склона к подъёму, что согласуется со снижением концентраций terrOC на 57%. Деградация terrOC лишь частично объясняет это снижение. Обновлённый бюджет terrOC моря Лаптевых предполагает, что динамика переноса осадков, такая как мутные течения, может управлять экспортом terrOC из шельфового бассейна, способствуя наблюдаемой структуре накопления. Это исследование количественно демонстрирует, что арктические шельфовые моря являются ключевыми рецепторными системами для ремобилизованного terrOC, подчёркивая их важность в углеродном цикле быстро меняющейся Арктики.

 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GB008104

 

Бореальные и арктические регионы нагревались в четыре раза быстрее, чем остальная часть планеты с 1970-х годов. В результате этого бореальные и тундровые экосистемы испытывают более частые и более интенсивные экстремальные погодные явления и нарушения, такие как лесные пожары. Однако ограничения наземных и спутниковых данных в арктических и бореальных регионах поставили под сомнение усилия по отслеживанию этих нарушений в региональных масштабах. Для эффективного мониторинга развития и масштабов лесных пожаров в арктическо-бореальной зоне важно определить, являются ли продукты выгоревших площадей их точными представлениями. Авторы используют 12 различных наборов данных вместе с данными об активных пожарах MODIS для определения общих годовых выгоревших площадей и сезонных закономерностей пожаров в арктическо- бореальных Северной Америке и России в 2001–2020 гг. Обнаружена относительно небольшая изменчивость между наборами данных в Северной Америке, как с точки зрения общих выгоревших площадей, так и сезонности, со средней выгоревшей площадью 2,55 ± 1,24 (стандартное отклонение) Мга/год за период анализа, большая часть (около 41%) которой приходится на июль. Напротив, в России существуют большие различия между продуктами — GFED5 даёт большее чем в четыре раза значение выгоревших площадей, чем GFED4s в южной Сибири. Эти различия возникают из-за разных используемых методологий; dNBR (разностный нормализованный коэффициент выгорания) краткосрочных композитов из снимков Landsat, используемых вместе с данными о горячих точках, был наиболее последовательно успешным в представлении выгоревших площадей. Авторы подчёркивают необходимость проявлять осторожность при использовании GABAM в этих регионах, особенно в период с 2001 по 2013 гг., поскольку линии сканирования Landsat-7 ETM+ ошибочно принимаются за выжженные участки, что увеличивает ошибки. С другой стороны, подчёркивается необходимость использования региональных продуктов там, где это возможно, таких как ABoVE-FED или ABBA в Северной Америке, а также продукта периметра пожара Талуччи и др. в России, поскольку они обнаруживают небольшие пожары, которые часто пропускают глобальные продукты.

 

Ссылка: https://www.mdpi.com/2072-4292/16/17/3306

 

В статье представлен набор данных, содержащий информацию о планах действий в области энергетики и климата 6850 муниципалитетов, принимающих участие в транснациональной инициативе Глобального пакта мэров (GCoM). Этот набор включает обязательства по сокращению суммарных выбросов парниковых газов не менее чем на 20% к 2020 году, на 55% к 2030 году и достижению климатической нейтральности к 2050 году. Подписавшие стороны обязуются решать любые из трёх основных направлений инициативы, а именно смягчение последствий изменения климата, адаптацию и доступ к энергии. После двух предыдущих выпусков представлен третий выпуск коллекции GCoM с датой закрытия в сентябре 2022 года. Наборы данных включают информацию о планах действий и отчётах по мониторингу, поскольку они представляются подписавшимися сторонами самостоятельно, проходя процедуру проверки качества перед публикацией. Кроме того, разработано внешнее сравнение с Базой данных выбросов для глобальных атмосферных исследований (EDGAR v7), контролирующее сопоставимые источники и секторы деятельности, что обеспечивает возможность использования наборов данных GCoM для соответствующих исследований местной политики и её влияния на снижение воздействия изменения климата.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03613-5

 

NASA обновляет принципы разработки и реализации миссий по исследованию Земли, чтобы гарантировать, что их данные и научные достижения быстрее и эффективнее доходили до пользователей и лиц, принимающих решения.

Более 60 лет миссии NASA по изучению Земли расширяли понимание земных систем и помогали отслеживать и управлять воздействиями на окружающую среду и изменением климата, такими как засухи, вырубка лесов и наводнения из-за экстремальных осадков.

В то время эти миссии, как правило, разрабатывались в первую очередь для удовлетворения потребностей в данных исследователей, работающих над ответами на насущные научные вопросы. Творческие приложения и использование этих данных, например, направленные на предоставление практических решений или улучшение принятия решений для общественных нужд, часто рассматривались только на более поздних этапах процесса разработки и развёртывания.

Но растущая срочность современных экологических проблем требует более оперативного внимания к применению идей из миссий по наблюдению за Землёй на благо человечества. Таким образом, NASA меняет свой подход, чтобы с самого начала отдавать приоритет практическому применению своих данных при проектировании, выборе и поддержке новых миссий. В рамках этой стратегии агентство также теперь намеренно создаёт программы и инструменты с учётом потребностей конечных пользователей и повышает общественные преимущества существующих миссий и мероприятий.

Два примера, демонстрирующие обновлённый подход NASA, — это миссия Surface Biology and Geology (SBG), которая находится в разработке и должна быть запущена в 2027 или 2028 году, а также текущая миссия Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite–2 (ICESat-2).

 Оценка приложений при проектировании миссий

В 2017 году в Десятилетнем обзоре по наукам о Земле и приложениям из космоса был сформулирован консенсус исследовательского сообщества о том, что для планировщиков миссий критически важно учитывать последующие приложения данных миссии, при этом продолжая решать самые насущные научные вопросы. В частности, обзор бросил вызов сообществу учёных-землеведов «преследовать всё более амбициозные цели и инновационные решения, которые повышают и ускоряют научную/прикладную ценность космических наблюдений Земли». Для решения этой задачи требуется трансформировать то, как реализуются текущие миссии, а также то, как разрабатываются новые, чтобы отразить акцент на приложениях данных как на мере ценности данных.

В ответ на это NASA разработала свою новую стратегию «От науки о Земле к стратегии действий», публично представленную ​​на открытой сессии Комитета национальных академий по наукам о Земле и приложениям из космоса 20 марта. Этот стратегический план на 2024–2034 гг. использует уникальное положение NASA как космического и научного агентства с сквозными возможностями, от разработки и запуска инновационных технологий до расширения научных знаний и создания инструментов и моделей, позволяющих лицам, принимающим решения, решать реальные проблемы.

Ранней инициативой в этом новом направлении является исследование NASA SBG, бывшее первым из нескольких десятилетних научных исследований и прикладных целей, которые должны были быть разработаны. Десятилетнее исследование наметило приоритеты для будущей спутниковой миссии SBG, включая наблюдение за наземной растительностью, водными экосистемами, снегом и льдом, активными изменениями на поверхности Земли и изменениями в землепользовании, а также установление приоритетов для управления сельским хозяйством, естественной средой обитания, водопользованием и качеством и городским развитием.

План SBG интегрировал эти потребности в наблюдении в исследование потенциальных архитектур, которое оценивало, какие типы датчиков и измерительных возможностей необходимы для получения желаемых наблюдений. Ли и др. (Lee et al.) [2022] описали, как NASA привлекла заинтересованные стороны в прикладном сообществе, включая тех, кто управляет сельским хозяйством, прибрежными и внутренними водными экосистемами и снежно-ледяными экосистемами, в это архитектурное исследование. Это взаимодействие внесло вклад в инженерное проектирование миссии, помогло сфокусировать обсуждения с международными партнёрами и усилило преимущества чёткого определения продуктов данных миссии на раннем этапе как для приложений, так и для пользователей научных данных.

Последующее исследование потребностей и оценки пользователей SBG также привлекло вклад широкого круга заинтересованных сторон, включая сообщество реагирования на пожары, тех, кто управляет воздействием городской жары на здоровье, а также менеджеров по охране природы и биоразнообразию и других. В этом исследовании NASA перечислила концепции приложений и контексты принятия решений, способных повлиять на проектирование архитектур SBG. Например, задержка данных и пространственное разрешение являются двумя критическими факторами, которые часто определяют, могут ли заинтересованные организации продуктивно использовать набор данных наблюдений.

Задержка данных — это общее время, которое проходит между моментом, когда данные получены датчиком, и моментом, когда они становятся общедоступными. Если задержка слишком велика, то данные могут быть бесполезны для принятия решений, например, для предоставления сообществам своевременных предупреждений о наводнении во время прилива или для повышения уровня предупреждений об эвакуации с «рекомендуемого» до «обязательного». Аналогично, если пространственное разрешение набора данных — скажем, характеризующего наводнение или другую опасность — слишком низкое, то спасатели не смогут определить местонахождение пострадавших сообществ, чтобы обеспечить их безопасность.

Однако существуют компромиссы между задержкой, разрешением и стоимостью миссии. Например, наборы данных с высоким разрешением собираются реже, чем с более низким пространственным разрешением, и поэтому с меньшей вероятностью будут доступны при необходимости, отчасти потому, что увеличение разрешения обычно увеличивает стоимость миссии и задержку данных. Таким образом, максимально допустимая задержка была назначена для каждого приложения, определённого сообществом пользователей SBG, например, для мониторинга и картирования лесных пожаров в реальном времени, экстремальной жары в городских условиях и геологических опасностей (например, извержений вулканов).

Окончательная архитектура, выбранная для миссии, включает несколько космических аппаратов, которые вместе будут предоставлять данные с пространственным разрешением 60 метров с задержкой данных менее 24 часов и будут включать гиперспектральные возможности [Thompson et al., 2022]. В соответствии со стратегическим планом NASA на 2024–2034 гг. этот окончательный проект максимизирует как научные приоритеты, определённые в десятилетнем обзоре, так и полезность данных миссии для всех потенциальных приложений.

 Расширение инвестиций в существующие миссии

Одним из основных способов, с помощью которых NASA использует данные существующих миссий на Земле, является финансирование разработки инновационных новых приложений и прикладных исследовательских мероприятий, например, через свои открытые программы Research and Analysis и Earth Action (Earth Action — это новый элемент в Отделе наук о Земле NASA, включающий бывший портфель прикладных наук, а также другие мероприятия). Ярким примером плодов этих усилий является программа приложений миссии ICESat-2, которая фокусируется на продвижении и социализации использования данных этой текущей миссии.

ICESat-2 несёт один инструмент: усовершенствованную топографическую лазерную систему высотомера, или ATLAS. ATLAS испускает лазерные фотоны и измеряет время прохождения обратных фотонов, отражённых от поверхности Земли, для расчёта расстояния между космическим аппаратом и поверхностью. На основе этих наблюдений инструмент составляет карту рельефа поверхности вдоль траекторий космического аппарата с высокой степенью детализации с задержкой в ​​45 дней.

Запущенный в 2018 году, ATLAS продолжает предоставлять уникальный набор данных со структурой и плотностью выборки, отличными от наборов данных, создаваемых другими датчиками наблюдения за Землей. А NASA продолжает финансировать прикладные мероприятия, направленные на расширение использования данных ATLAS для поддержки принятия решений, связанных, например, с арктическим морским льдом, таянием наземного льда и состоянием критически важных резервуаров питьевой воды.

Программа приложений ICESat-2, помогающая пользователям получать доступ к данным ATLAS и применять их, успешно повысила наглядность миссии и закрепила её непреходящую ценность. Добровольные ранние последователи из сообщества пользователей, такие как поставщик морских геопространственных данных TCarta и Фонд исследований и управления культурными объектами, внесли свой вклад в разработку продуктов и мероприятий миссии. А вовлечение потенциальных пользователей посредством встреч и публикаций привело к более широкому и четкому пониманию полезности точных наблюдений за высотой из космоса с момента запуска миссии [Brown et al., 2022]. Благодаря своим усилиям программа приложений обеспечивает улучшенную интеграцию приложений в будущие миссии по альтиметрии.

 Приложения для анализа альтиметрии

ATLAS предоставляет чрезвычайно точные данные о высоте, но доступ к данным и их понимание могут представлять трудности, особенно для новых пользователей. Для упрощения использования данных альтиметрии и разработки новых приложений был создан набор инструментов и продуктов, включая следующие примеры.

Библиотека программного обеспечения icepyx была создана сообществом пользователей, разработчиков и учёных ICESat-2. Эти люди объединились для разработки общей библиотеки существующих ресурсов, нового кода, учебных пособий и вариантов использования, чтобы обеспечить научные открытия путём упрощения процесса поиска, доступа и анализа наборов данных ICESat-2. Инструмент используется, например, для объединения данных ATLAS о высоте океана с наблюдениями за температурой, солёностью и глубиной с помощью океанических буёв для ускорения понимания изменений в морских течениях и ледовом покрове в отдаленных регионах [Bisson et al., 2023].

SlideRule — это открытая структура для обработки научных данных по запросу в облаке. Плагин ICESat-2 SlideRule предлагает настраиваемый инструмент для использования архива низкоуровневых (минимально обработанных) продуктов данных миссии. Пользователь определяет интересующую географическую область и ключевые параметры обработки, такие как период агрегации или продукт, через интерактивный веб-интерфейс или интерфейс прикладного программирования (API), а SlideRule возвращает высокоуровневые продукты облака точек высот поверхности за секунды или минуты. Эта функциональность обеспечивает быструю разработку алгоритмов, визуализацию и интерпретацию данных. SlideRule также облегчает приложения, требующие индивидуальной обработки данных альтиметрии, такие как измерение межгодовых изменений глубины снежного покрова и оценка вероятного влияния этих изменений на доступность воды в горных регионах средних широт [Besso et al., 2024].

CryoCloud — это облачная среда, созданная экспертами сообщества, которая разрабатывает инструменты с открытым исходным кодом для совместных открытых исследований криосферы. Платформа предоставляет обучающие семинары в стиле хакатона, а также поддержку учёным в проведении исследований и преподавании в бесплатной и доступной онлайн-среде, менее зависимой от локальных вычислительных ресурсов. Например, CryoCloud используется в приложениях для улучшения понимания того, как повышение уровня моря, вызванное таянием ледяного покрова Гренландии, повлияет на прибрежные сообщества.

OpenAltimetry — это бесплатный, удобный инструмент на основе карт для визуализации данных о высоте поверхности, собранных миссиями ICESat и ICESat-2. Пользователи определяют географическую область, продукт данных и интересующую дату с помощью интерактивного веб-интерфейса или API, а затем могут быстро проверять и загружать геолокационные данные. Исследователи использовали OpenAltimetry для проверки измерений высоты деревьев, собранных программой Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) [Campbell, 2021], и для исследования таяния поверхностного льда в Антарктиде как индикатора потепления и потери льда [Geetha Priya et al., 2022].

Продукты ICESat-2 QuickLook ускоряют доставку подмножества данных ICESat-2 с типичных 30–45 дней, необходимых для высокоточных наблюдений высоты, до менее чем 72 часов. Хотя данные QuickLook имеют большую неопределённость в их геолокации и сообщаемых высотах по сравнению со стандартными продуктами данных с более длительной задержкой, их гораздо более быстрая доступность представляет ценность для приложений, требующих более близкой к реальному времени информации. Данные QuickLook используются в операционных системах, таких как GloLakes, которая предоставляет уровни озёр в качестве входных данных для мониторинга водных ресурсов в почти реальном времени в более чем 27 000 озёр по всему миру [Hou et al., 2024]. (Стандартные продукты данных, как только станут доступны, заменят файлы данных QuickLook, поддерживаемые Национальным центром данных по снегу и льду, для обеспечения максимально возможной точности.) 

Сила партнёрств 

SBG и ICESat-2 — это всего лишь два примера того, как NASA меняет свой подход к выбору и разработке новых миссий по науке о Земле и расширяет полезность существующих миссий. Другие примеры включают предстоящие миссии, такие как Geosynchronous Littoral Imaging and Monitoring Radiometer (GLIMR) и Landsat Next, запуск которых запланирован на 2026–2027 и 2030 годы соответственно. 

GLIMR — это геостационарный датчик, который будет расположен над Мексиканским заливом и юго-восточным побережьем США для предоставления критически важной информации о вредоносном цветении водорослей, разливах нефти, скоплениях саргассума и других прибрежных опасностях. Миссия была разработана с этой уникальной целью — предоставлять критически важную информацию для улучшения реагирования, сдерживания и информирования общественности, необходимых в густонаселенных регионах. Landsat Next, созвездие из трёх идентичных обсерваторий, было перепроектировано для удовлетворения потребностей обширной базы пользователей Landsat, обеспечивая более частые наблюдения и более высокое пространственное разрешение, продолжая при этом наследие Landsat посредством устойчивых операций миссии. 

Что не меняется в подходе NASA, так это важность, которую она придаёт работе с заинтересованными сторонами. Новая стратегия «От науки о Земле к стратегии действий» подчёркивает ценность стратегических партнёрств в предоставлении ощутимых общественных выгод. Таким образом, сотрудничество с международными партнёрами, академическими кругами, некоммерческими организациями и другими агентствами останется ключевым в усилиях по удовлетворению потребности в наблюдениях за Землёй, которые доступны, применимы и полезны для помощи человечеству в решении неотложных проблем. 

References

Besso, H., D. Shean, and J. D. Lundquist (2024), Mountain snow depth retrievals from customized processing of ICESat-2 satellite laser altimetry, Remote Sens. Environ., 300, 113843, https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113843.

Bisson, K. M., et al. (2023), Software to enable ocean discoveries: A case study with ICESat-2 and Argo, ESS Open Archive, https://doi.org/10.22541/au.170258908.81399744/v1.

Brown, M. E., et al. (2022), Scientist-stakeholder relationships drive carbon data product transfer effectiveness within NASA program, Environ. Res. Lett., 17(9), 095004, https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac87bf.

Campbell, B. A. (2021), ICESat-2 and the Trees Around the GLOBE student research campaign: Looking at Earth’s tree height, one tree at a time, Acta Astronaut., 182, 203–207, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.02.002.

Geetha Priya, M., et al. (2022), Estimation of surface melt induced melt pond depths over Amery Ice Shelf, East Antarctica using multispectral and ICESat-2 data, Disaster Adv., 15, 1–8, https://doi.org/10.25303/1508da01008.

Hou, J., et al. (2024), GloLakes: Water storage dynamics for 27 000 lakes globally from 1984 to present derived from satellite altimetry and optical imaging, Earth Syst. Sci. Data, 16, 201–218, https://doi.org/10.5194/essd-16-201-2024.

Lee, C. M., et al. (2022), Systematic integration of applications into the Surface Biology and Geology (SBG) Earth mission architecture study, J. Geophys. Res. Biogeosci., 127(4), e2021JG006720, https://doi.org/10.1029/2021JG006720.

Thompson, D. R., et al. (2022), Ongoing progress toward NASA’s Surface Biology and Geology mission, in IGARSS 2022: 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 5,007–5,010, Inst. of Electr. and Electron. Eng., Piscataway, N.J., https://doi.org/10.1109/igarss46834.2022.9884123.

 

Ссылка: https://eos.org/features/data-to-decisions-changing-priorities-for-earth-observations