Rok 2010, przełom maja i czerwca. Przez znaczną część Europy przetacza się ogromna powódź. Przechodząca przez Polskę fala zbiera tragiczne żniwo, niszcząc ponad 10 tys. km dróg, 18 tys. budynków mieszkalnych, oczyszczalnie ścieków i przede wszystkim tereny rolnicze.

W mieszczącym się w Warszawie budynku Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk zalane zostają piwnice, a gdy pracownicy wynoszą sprzęt z laboratoriów i archiwalia instytucji z najniższych partii budynku, na wyższych piętrach trwają prace sztabu kryzysowego. – Analizowaliśmy zdjęcia satelitarne, by lepiej zrozumieć dynamikę powodzi, wesprzeć strażaków i inne służby ratownicze – mówi Jakub Ryzenko z Centrum Zarządzania Kryzysowego CBK PAN.

W 2010 roku program Copernicus, stworzony przez Europejską Agencję Kosmiczną w celu monitorowania Ziemi z orbity, dopiero się zaczynał. Pracownicy CBK PAN wykorzystywali zdjęcia satelitarne udostępniane w ramach pilotażu tego projektu, by tworzyć regularnie aktualizowaną mapę rozprzestrzeniania się powodzi.

– Zaprzęgliśmy całą naszą wiedzę matematyczno-przyrodniczą, umiejętność tworzenia modeli, by pomóc w koordynacji działania służb, informować, dokąd sięgają rozlewiska powodziowe i w jaki sposób optymalizować ich likwidację. Pracowaliśmy przez kilka tygodni non stop, dostarczając konkretnych informacji niezbędnych w tamtym momencie. Dzięki temu udało nam się wypracować podwaliny współpracy pomiędzy instytucjami badawczymi, takimi jak nasza, i służbami ratunkowymi. Współpracy, która trwa do dziś i służy coraz szerszemu wykorzystaniu nowoczesnych technik satelitarnych w zarządzaniu kryzysowym – mówi Jakub Ryzenko.

Prace, które wtedy wykonywano ręcznie, zostały zautomatyzowane – mapy zasięgu powodzi mogą być generowane bez udziału człowieka. Taki system zostanie uruchomiony w Polsce wiosną 2021 roku.

Ziemię nieustannie monitorują satelity

Wspomniany wcześniej program Copernicus ruszył trzy lata temu. Satelity Sentinel nieustannie przesyłają na Ziemię terabajty danych pozwalających monitorować atmosferę, lądy i oceany. Copernicus jest szczególnie pomocny w przypadku wystąpienia katastrof naturalnych, jak powodzie czy pożary. Jego dane pozwalają tworzyć mapę zagrożeń i wspierają akcje ratunkowe.

ESA prowadzi wiele innych programów obserwacyjnych skupionych pod wspólną nazwą Earth Explorer. Satelity i urządzenia naziemne ESA pomagają tworzyć mapy siedlisk zagrożonych gatunków zwierząt i tropić statki odpowiedzialne za skażenie mórz ropą naftową. Dzięki nim organizacje humanitarne mają też mniej kłopotów z dotarciem do potrzebujących w Afryce.

Wśród misji tych wyróżnia się SWARM – pierwsza stworzona przez ESA konstelacja satelitarna badająca ziemskie pole magnetyczne i zachodzące w nim zmiany, a także dostarczająca dane o wpływie prądów oceanicznych na kształtowanie się klimatu. Misja, która miała zakończyć się w 2017 roku, została przedłużona o kolejne cztery lata. W pracach nad nią biorą udział inżynierowie z firmy GMV Polska.

– Dostarczamy oprogramowanie do przetwarzania danych przekazywanych przez satelity oraz dbamy o ich jakość i wiarygodność. Na pewnym etapie misji okazało się, że dane z jednego z sensorów konstelacji SWARM odbiegają od zakładanych modeli matematycznych. Wspólnie z ESA oraz zespołem naukowców udało nam się ustalić powód zakłóceń i, zmieniając odpowiednio algorytmy przetwarzania danych, sprawić, że mogą być nadal wykorzystywane przez badaczy – wyjaśnia Paweł Wojtkiewicz, dyrektor ds. sektora kosmicznego GMV Polska.

Z orbity można policzyć, ile drzew rośnie na Ziemi

Firma ta brała również udział w tworzeniu najbardziej zaawansowanej i przełomowej misji najbliższych lat, czyli Biomass. To satelita, który za pomocą technologii radarowej ma określić ilość i gęstość terenów leśnych na całej Ziemi. O jakiej precyzji mówimy? – Ogromnej. Mówiąc obrazowo, w zasadzie tylko ścięcie wszystkich drzew na Ziemi, dokładne ich zmierzenie i zważenie mogłoby nam dostarczyć tak dokładnych danych jak misja Biomass – wyjaśnia Paweł Wojtkiewicz.

Ostatnie dane Brazylijskiego Narodowego Instytutu Badań Kosmicznych mówią, że tylko w minionym roku wycięto ponad 11 tys. km kw. Amazonii. Jest to największy ubytek od 2018 r. Zielone płuca świata kurczą się wskutek rabunkowej gospodarki. Jeśli poznamy precyzyjne dane dotyczące terenów leśnych, będzie nam łatwiej wprowadzić programy ratunkowe.

– Ogromny radar Biomass daje możliwość wykonania czegoś, co najlepiej jest porównać do tomografii komputerowej: zrobienia zdjęć kolejnych warstw lasu, co pozwala na stworzenie jego trójwymiarowego obrazu. Aby to się udało, konieczne jest fotografowanie tego samego terenu seriami i w odpowiednich momentach. Stworzyliśmy analizę projektu misji. Budowaliśmy modele matematyczne pozwalające określić odpowiednią trajektorię lotu satelity i optymalną orbitę, liczbę koniecznych manewrów oraz wiele innych czynników, które pozwolą Biomass spełnić pokładane w nim nadzieje – mówi inż. Artur Łukasik z GMV Polska.

Biomass powinien zostać wystrzelony pod koniec 2022 r., choć ze względu na pandemię start może zostać opóźniony. Obecnie satelita jest składany, a pomagają w tym urządzenia naziemne stworzone przez polską firmę Sener. Dwie platformy integrujące poszczególne elementy satelity oraz pozwalające na łatwy ich demontaż zostały już przekazane OHB Italia – podwykonawcy satelity, nad którym główną pieczę sprawuje koncern Airbus.

Dane satelitarne uzupełniają obserwacje z dronów

Zdjęcia satelitarne pomagają nie tylko ocenić stan przyrody. Dzięki nim powstają także mapy bezpieczeństwa ruchu lotniczego w okolicy lotnisk. Co takiego można zobaczyć z orbity?

– Bardzo dużo: czy dźwig, jaki deweloper postawił na budowie, ma faktycznie 15, czy może jednak 30 m; jakiej wysokości są drzewa rosnące w okolicy ścieżki schodzenia samolotu; jaka jest gęstość i wysokość zabudowy; jaki jest rozkład słupów wysokiego napięcia i mnóstwa innych potencjalnie niebezpiecznych przeszkód – mówi Krzysztof Mysłakowski z Creotech Instruments. Firma ta wraz z AP Tech i Polską Agencją Żeglugi Powietrznej tworzy System Automatycznego Monitorowana Przeszkód Lotniczych i Ewidencji (SAMPLE).

Ma on być oparty na dwóch źródłach – danych satelitarnych oraz informacjach z kamer naziemnych lub dronów. Pozwoli to stworzyć mapę bezpieczeństwa sięgającą terenów leżących nawet kilkadziesiąt kilometrów od lotniska. – W dodatku będzie to mapa bardzo często aktualizowana. Do tej pory taką dokumentację tworzyli geodeci, przez co nowe wersje map pojawiały się rzadko. My będziemy w stanie dostarczać aktualizacje teoretycznie nawet raz w tygodniu – dodaje Krzysztof Mysłakowski.

Wcześniej Creotech wraz CBK PAN opracował system CreoScan umożliwiający koordynację ruchu dronów i przetwarzanie pozyskiwanych przez nie danych. Chrzest bojowy jednego z elementów systemu – rozwiązania Drone Rapid Mapping (DRM) – odbył się w czasie pożarów, jakie wiosną 2020 r. objęły tereny Biebrzańskiego Parku Narodowego.

DRM łączy informacje satelitarne z tymi uzyskiwanymi przez drony, dzięki czemu tworzy precyzyjną i dynamiczną mapę danego obszaru. Urządzenie nie wymaga połączenia z internetem i może być zasilane z akumulatora samochodowego lub dzięki generatorowi prądu.

 – Może być używane w trakcie klęsk żywiołowych, by wesprzeć akcję ratunkową, ale także do szukania zaginionych w lesie lub w górach ludzi. Powinno działać szybko i w każdym miejscu, dlatego tak istotne było uniezależnienie DRM od łączy internetowych – dodaje Krzysztof Mysłakowski.

Satelity pomogą znaleźć źródła słodkiej wody

Czego jeszcze można szukać z orbity? Na przykład słodkiej wody pod piaskami pustyni. Laboratorium Napędu Odrzutowego Centrum NASA wraz Fundacją na rzecz Kataru uruchomiło program OASIS. Jego celem jest zbudowanie wyposażonego w radar satelity, który będzie przeszukiwał piaski Sahary, by znaleźć znajdujące się głęboko pod powierzchnią zbiorniki słodkiej wody. Technologia radarowa używana w programie jest analogiczna do tej wykorzystanej w sondzie Mars Reconnaissance Orbiter, która w 2015 r. odkryła okresowo pojawiające się cieki wodne na Marsie.

 – Specjalnym życzeniem emira Kataru jest, aby budowany przez nas satelita nie tylko przeczesywał piaski pustyni w poszukiwaniu wody, ale również badał topnienie pokrywy lodowej na Grenlandii. Ma to być wielozadaniowa misja – mówi inż. Artur Chmielewski, menedżer misji z ramienia NASA.

Pozyskiwanie czystej wody oraz jej bardzo skrupulatny recykling to jedno z zagadnień poruszanych także przez kolumbijski odłam organizacji The Mars Society. W porozumieniu z Europejską Fundacją Kosmiczną tworzy ona teoretyczne podwaliny samowystarczalnej kolonii marsjańskiej bazującej na zamkniętym obiegu wody oraz akwaponice, czyli symbiotycznej uprawie roślin i hodowli fauny wodnej, takiej jak ryby czy kraby. Odchody zwierząt rozkładane są przez bakterie na azotany i azotyny, które rośliny wykorzystują jako nawóz.

– Mars nie jest światem przyjaznym życiu, ale skoro wiemy, co zrobić, by tamtejsza kolonia mogła przetrwać, to wiemy również jak wesprzeć ludzi mieszkających w trudnych warunkach tutaj, na Ziemi. Systemy recyklingu wody, gospodarka, w której nic się nie marnuje, wyżywienie oparte na akwaponice – to wszystko możemy i powinniśmy wykorzystać tutaj na Ziemi, zamiast prowadzić rabunkową, wyjątkowo krótkowzroczną gospodarkę. Mamy technologię, trzeba ją tylko wcielić w życie – mówi Łukasz Wilczyński z Europejskiej Fundacji Kosmicznej.