Спутниковая эра и нулевые выбросы. Сателлиты Земли открывают новую эпоху технологического контроля

Графика pixabay.com

В 2019 году на западе Туркменистана спутник Claire обнаружил большой шлейф метана. Выброс произошел из газопровода на нефтегазовом месторождении «Корпеже». Более того, были обнаружены еще два шлейфа, в том числе от компрессорной станции. Эта информация позволила Туркменистану ликвидировать утечки.

Совсем скоро выявление глобальных выбросов выйдет на еще более высокий уровень благодаря спутникам, которые будут запущены консорциумом, включающим Carbon Mapper, лабораторию реактивного движения НАСА и Planet Labs Inc. Данные, собранные спутниками, будут определять и измерять источники метана и углекислого газа, а также более двух десятков других экологических показателей. Первые два спутника должны быть запущены в 2023 году.

В 2022 году компанией Methane SAT, дочерней организацией Фонда защиты окружающей среды американской некоммерческой организации, должен быть запущен спутник весом 350 кг и стоимостью 88 млн долл. Он будет сканировать участок земли шириной 200 км с разрешением 1 км на 1 км. По данным Methane SAT, он будет наиболее чувствительным к уровням выбросов, поскольку сможет обнаруживать концентрации метана до двух частей на миллиард. Данные, собранные спутником, будут общедоступны.

Несмотря на то что на наблюдения за парниковыми газами из космоса могут влиять облачность, осадки и время суток, возможность связывать утечки с отдельными загрязнителями становится все проще по мере запуска большего количества спутников.

С дополнительными данными, которые предоставляют спутники, сложный углеродный цикл Земли будет намного понятнее, и это в корне меняет дело. Сегодня известно о большинстве крупных искусственных источников выбросов углекислого газа и их мощности. Но есть глобальные явления, например, лесные пожары, когда вклад углекислого газа еще не полностью изучен. Есть также экосистемы, такие как бореальные леса Канады и Сибири и тропические леса Амазонки, которые являются огромными поглотителями углекислого газа, но их вклад в общую картину быстро меняется из-за повышения температуры и обезлесения.

Считается, что ежегодный углеродный цикл – это 330 млрд т углекислого газа. Океаны поглощают примерно половину этого количества. Наземные измерения показывают, что существует большой неучтенный поверхностный «поглотитель» атмосферного углекислого газа, но его местонахождение вызывает ожесточенные споры. Причиной этого является нехватка данных о тропиках, где расположены многие из густых (и крайне труднодоступных) тропических лесов мира. Спутники скорее всего увидят и это.

Сейчас крупнейшие по численности спутниковые группировки – это Starlink (c 2018 года запущено более 2000 штук) и OneWeb (более 400 штук). Это системы широкополосного вещания сети интернет, американская и европейская соответственно. На эти две спутниковые группировки приходится примерно треть всех запущенных и ныне активных спутников (по данным ООН, в 2018 году на орбите было примерно 1800 активных спутников, а в сентябре 2021 уже примерно 7500). Количество космических аппаратов и дальше будет продолжать расти, причем темпы ускорятся. При этом количество запусков ракет растет несущественно, но значительно растет количество спутников, выводимых за один запуск, – уже десятилетие идет тенденция к уменьшению размеров спутников. Сейчас востребованы даже спутниковые платформы формата CubeSat, самый маленький из вариантов которой предполагает кубической спутник с ребром длиной всего 10 см. В прошлом году был поставлен рекорд по одновременному запуску спутников одной ракетой-носителем – компания SpaceX вывела на орбиту сразу 143 спутника.

Причин для такого роста много, основные из которых – возрастающие потребности в расширении телекоммуникационных каналов и улучшение возможностей геолокации. Такие спутники нужны для отслеживания морских и воздушных судов, а в перспективе и всего транспорта вообще (в России система ГЛОНАСС уже установлена на общественном транспорте и грузовиках, перевозящих опасные грузы), при использовании систем глобального позиционирования совместно с телекоммуникационными спутниками. Становится возможным в любой точке мира не только следить за передвижением транспорта, но и при необходимости обмениваться с ним данными, что будет востребовано все больше и больше в связи с повсеместным внедрением автоматического транспорта (во многих странах, включая Россию, уже проходят пилотные проекты по переходу общественного и частного транспорта на автоматическое управление, причем это происходит уже на дорогах общего пользования, а, например, автоматические самосвалы на крупных карьерах и сельскохозяйственная техника и вовсе стали нормой уже несколько лет назад).

Скорее всего в ближайшее время ООН придется разрабатывать новые соглашения по освоению космоса – свободных орбит становится меньше, количество космического мусора растет, космические аппараты уже начинают серьезно мешать астрономическим наблюдениям, а потребность в спутниках продолжает расти с каждым годом.

В России уже не первый год разрабатывается концепция глобальной многофункциональной инфокоммуникационной спутниковой системы (ГМИСС), получившей позже название «Сфера». Планировалось, что к 2030 году группировка, созданная в рамках программы «Сфера», должна насчитывать 640 космических аппаратов, включающих в себя спутники связи, навигации и дистанционного зондирования Земли. При этом изначально планировалось, что спутники будут запущены с 2022 до 2028 года, однако цена проекта, состав спутниковой группировки и сроки запуска неоднократно менялись. На данный момент запуск первых спутников по программе планируется в 2024 году. Помимо этого в «Сферу» планируется включить уже запущенные спутниковые группировки телекоммуникационных спутников «Ямал» и «Экспресс», спутников глобальной системы позиционирования ГЛОНАСС и системы спутниковой связи «Гонец».

Помимо оговоренной выше важности спутников навигации и передачи данных, стоит отдельно отметить необходимость развития спутников дистанционного зондирования Земли, на долю которых (и неспроста, причина описана в начале статьи) в проекте «Сфера» приходится чуть ли не половина всех космических аппаратов.

Изначально основным применением спутников дистанционного зондирования Земли была картография, благодаря им мы можем пользоваться сервисами «Яндекс Карты» и Google Maps. Сейчас благодаря развитию технологий по обработке больших массивов данных и распознаванию образов при помощи искусственного интеллекта назначение спутников дистанционного зондирования Земли существенно расширено.

Схема авторов

Такой широкий диапазон применения возможен благодаря наблюдению за поверхностью Земли не только в оптическом, но также в радио-, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Кроме того, на спутники устанавливаются радиометрические датчики и датчики магнитного поля.

Благодаря широкодиапазонному спектральному анализу атмосферы и поверхности Земли на основе показаний приборов удается определять состав атмосферы и горных пород, что, в свою очередь, позволяет делать прогнозы о наличии полезных ископаемых, предсказывать погоду и следить за экологической обстановкой. Причем последнее, то есть контроль экологической обстановки при помощи спутников, скоро станет очень востребованным, а наличие собственной большой группировки спутников дистанционного зондирования Земли станет для России необходимостью.

Парижское соглашение, принятое для предотвращения ускоренного изменения климата, не предусматривает обязательных к выполнению норм по выбросам, однако текущая европейская политика и планы по переходу на «зеленую» энергетику к 2035 году, несомненно, приведут к международным соглашениям о введении квот на выбросы парниковых газов, к которым относятся углекислый газ и метан. Спутники дистанционного зондирования Земли фактически являются единственным объективным средством контроля выбросов парниковых газов, позволяющим независимо и глобально отслеживать объемы и источники выбросов, поэтому каждой стране, которая ратифицирует будущие соглашения, будет выгодно иметь собственную глобальную группировку спутников для контроля выбросов парниковых газов. Если с углекислым газом все привычно и понятно – он образуется при сжигании топлива, то с метаном, на вклад которого в глобальное изменение климата приходится примерно 25%, все сложнее. Его мало в атмосфере по сравнению с углекислым газом, однако он примерно в 20 раз эффективнее удерживает тепло в атмосфере, поэтому его мониторинг является особенно важным. Метан – это природный газ, который образуется как в природе в процессе разложения органики, так и является продуктом жизнедеятельности человека. По сегодняшним данным, примерно половина всех выбросов метана приходится на сельское хозяйство: источник 30% метана приходится на кишечную ферментацию крупного рогатого скота, остальные 20% – на выращивание риса и других видов сельскохозяйственной деятельности. ООН уже предпринимает попытки по поискам альтернативного крупному рогатому скоту источника животного белка, предполагающего меньшие выбросы метана. На данный момент самым актуальным является введение в человеческий рацион насекомых – в самом начале года Европейский союз уже одобрил и признал безопасным потребление сушеных желтых мучных червей в пищу. Остальные 50% выбросов метана, по современным представлениям, происходят за счет добычи нефти, газа и угля (20%); а также образуются за счет сточных вод и свалок (30%).

Однако недавний инцидент с утечкой метана на газопроводе в Татарстане и его анализ показали, что реальный масштаб выбросов метана нефтегазовой промышленностью скорее всего превышает официальные оценки. Увеличение количества спутников дистанционного зондирования должно улучшить ситуацию. 4 июня 2021 года спутник дистанционного зондирования Земли Европейского космического агентства из программы Copernicus зарегистрировал утечку на газопроводе, проходящем в Татарстане. Здесь нужно отметить, что существует Международная Хартия по космосу и крупным катастрофам (англ. International Charter on Space and Major Disasters), предусматривающая в случае крупных катастроф бесплатное получение и использование снимков со спутников дистанционного зондирования Земли его участниками. Среди стран-участниц есть и Россия, предоставляющая данные с российских спутников «Ресурс-ДК», «Ресурс-П», «Канопус-В» и «Метеор-М». Владелец газопровода «Газпром» быстро устранил утечку, а анализ данных спутника показал высокую скорость выброса метана – 395 метрических тонн в час. Обнаружить утечку метана на газопроводе при помощи наземного оборудования можно довольно быстро, но адекватно оценить объем потери газа без использования спутника вряд ли бы удалось. Такие большие утечки происходят не только из-за износа газопровода или непредвиденных ситуаций, но еще и потому, что при крупных авариях сложно откачать газ, проще перекрыть участок и либо дать газу выйти в атмосферу, либо произвести его сжигание (что технически сложнее при аварии), чтобы уменьшить наносимый вред окружающей среде. Без использования спутников оценить реальные масштабы подобных утечек тяжело, особенно в труднодоступных районах. Тем более аварии являются не единственным источником выбросов метана нефтегазовой отраслью.

При добыче нефти метан является побочным продуктом, попутный газ принято сжигать, однако даже при этом примерно 20% попутного газа не сгорает, а попадает в атмосферу. В идеале этот газ было бы логично использовать, а не просто сжигать, но это наталкивается на логистические трудности – нефть добывается в районах со слаборазвитой инфраструктурой. Однако уже разрабатываются проекты по генерации электричества для центров обработки данных, которые нужны для майнинга криптовалюты. Российские нефтяные компании уже обратились с просьбой оценки такой инициативы в Минпромторг, Минцифры и ЦБ. Кроме того, российские газовые сети в силу их большой протяженности имеют достаточно высокий процент устаревания. Например, в России в большом количестве применяются газотурбинные компрессорные станции, которые необходимо устанавливать на газопровод для поддержания давления примерно каждые 200 км. При работе этих компрессорных станций примерно 20% собственного потребления метана также выбрасывается в атмосферу. В Европейском союзе же компрессорные станции уже почти полностью переведены на электричество и не имеют выбросов. В такой ситуации запуск новых спутников дистанционного зондирования Земли России необходим не только как вклад в глобальную систему мониторинга выбросов, участвовать в которой для предотвращения изменения климата необходимо всему миру, но и с экономической точки зрения – при введении квот на выбросы придется тщательно следить за инфраструктурой нефтегазовой отрасли и быстрее предотвращать аварии. Кроме того, благодаря дополнительному эффективному мониторингу удастся избежать достаточно большой потери газа, который можно продать, при этом нельзя забывать, что метан, по сути, является единственным способом действительно быстро уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, так как он является самым экологичным видом ископаемого топлива. В более долгосрочной перспективе при уже существующих технологиях и планах по переходу с метана на водород с использованием существующих газопроводов для осуществления концепции нулевых выбросов спутниковый мониторинг состояния трубопроводов не потеряет актуальности.

В текущих условиях разработка и запуск спутников в России затруднены из-за проблем с номенклатурой электронной компонентной базы и иностранных производственных площадок, однако при своевременных инвестициях в радиоэлектронную и космическую отрасль можно достичь необходимого уровня импортозамещения для осуществления проекта «Сфера», крайне необходимого России.

В то время как первоначальная система учета углерода была сосредоточена на потреблении, которое приводит к выбросам, спутники предоставили способ определить именно их источник.

Сегодня, когда выбросы двуокиси углерода в целом снижаются, система учета выбросов углекислого газа и система наблюдения за выбросами углерода представляет собой очень мощный политический инструмент, который позволит правительствам регулировать темпы декарбонизации своих экономик. Но Китай запустил собственные спутники, заявив, что возглавляемая США система, которая обнаружила несколько источников незаконных выбросов в Китае, была политически предвзятой. Однако тотальное наблюдение за физическим миром закроет, очевидно, последнюю большую лазейку для утаивания выбросов через неформальные системы.

Одно из первых приложений для смартфонов для отслеживания выбросов углерода было разработано в 2019 году, и оно не было воспринято всерьез. Но совсем скоро многие изобретения из совсем недавнего прошлого превратятся из развлечений в технологии, изменяющие мир.