В то время как ученые во всем мире стараются не покидать дома во время пандемии COVID-19, спутники наблюдения за Землей продолжают движение по орбите и предоставляют данные, которые показывают явную связь между пандемией и окружающей средой. Восемь ученых получили грант на проект, который поддерживает исследователей, изучающих влияния меры изоляции во время пандемии на окружающую среду, а также того, как сама природа может влиять на распространение вируса. Для шести проектов ученые брали данные со спутниковых снимков, чтобы понять, как меры изоляции от COVID-19 влияют на продовольственную безопасность, экологию пожаров, поверхностное тепло в городах, облака и потепление климата, загрязнение воздуха и осадки, качество воды и работу водных экосистем. Еще два проекта изучают, как окружающая среда может влиять на распространение вируса — ученым помогают системы мониторинга пыли и погоды. Подразделение НАСА о науках о Земле управляет этими проектами, которые находят новые способы использования данных наблюдений за планетой, чтобы лучше понять глобальные экологические, экономические и социальные последствия пандемии COVID-19. Рассказываем подробнее о каждом из научных проектов.
Подсчет урожая во время пандемии
Пандемия и связанная с ней политика изоляции изменила ситуацию с урожаем. Сокращение авиа- и наземных перевозок привело к резкому падению спроса на этанол, что привело к снижению цен на кукурузу. Политика ограничений затруднила поездки контролирующих органов на фермы в США и сбор информации о посеве сельскохозяйственных культур, прогрессе и условиях их роста.
В последствии отсутствие публичной информации о сельскохозяйственных культурах вызвало неопределенность и нестабильность на сельскохозяйственных рынках и ценах в течение вегетационного периода. «Рынки хотят знать, сколько урожая определенного сорта можно ожидать», — объясняет Ханна Кернер, доцент-исследователь университета Мэрилэнда в Колледж-Парке.
Кернер и ее команда обращается к данным спутников НАСА и Геологической службы США Landsat, Sentinel-2 от ЕКА (Европейское космическое агентство), спектрорадиометру MODIS на борту спутников Terra и Aqua и спутникам проекта Planet, чтобы дополнить информацию Министерства сельского хозяйства США.
«Мы используем спутниковые данные и машинное обучение, чтобы составить карту, где и какие культуры растут», — заключает Кернер. В частности они отслеживают ключевые товарные культуры, в том числе кукурузу и сою в США и озимую пшеницу в России.
Динамика пожаров во время ограничений на перемещение
Уменьшение числа планируемых пожаров повысило биологическое разнообразие и позволило снизить нагрузку на топливо на юго-востоке США этой весной.
С вступлением в силу ограничений на COVID-19 Лесная служба США временно приостановила все свои преднамеренные или предписанные сжигания на федеральных землях на юго-востоке в марте. Государственные учреждения в Миссисипи, Южной Каролине и Северной Каролине последовали ее примеру.
Бен Поултер, научный сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, использует комплект радиометров видимого инфракрасного изображения (VIIRS) на спутнике НАСА и АЭС Суоми NOAA, а также данные MODIS для отслеживания пожаров по всей стране. Это позволяет ему выяснить, как политика социального дистанцирования, например, федеральные ограничения на поездки, повлияла как на предписанные ожоги на Восточном побережье, так и на лесные пожары на Западе.
В конечном итоге его команда ученых хочет лучше понять, как меньшее количество пожаров на юго-востоке может повлиять на биоразнообразие. Дело в том, что некоторые виды полагаются на пожары для своего процветания. В результате происходит накопление топливных элементов в растительности. Это потенциально может привести к более опасным лесным пожарам в будущем.
Также исследователи хотят понять, как политика COVID-19 усложняет тушение пожаров. Кроме того, ученые изучают, как общее количество пожаров по всей стране может повлиять на химический состав атмосферы.
Изучение тепловых потоков
Кристофер Поттер, научный сотрудник Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнийской Силиконовой долине, изучает, как калифорнийский мандат на shelter-in-place в районе залива Сан-Франциско сократил количество автомобилей на дорогах и изменил то, как поверхности парковок, шоссе и крупных промышленных зданий поглощают солнечный свет и отражают инфракрасное тепло.
Поттер и его команда следят за парковками и другими поверхностями, чтобы увидеть, горячее или прохладнее они во время пандемии. Видимый солнечный свет попадает на поверхность, а затем поглощается и переизлучается в виде тепла.
Команда использует показатели температуры со спутникового теплового инфракрасного датчика от Landsat и температуру поверхности земли от ECOSTRESS — датчика НАСА на Международной космической станции, чтобы нанести на карту большие плоские городские объекты в районе залива и измерить их тепловой поток. Ученые также собирают наземные измерения, чтобы подтвердить достоверность данных.
Поттер изучает такие вопросы, как, например, если автомобили припаркованы и сконцентрированы на гигантских участках, меняется ли отражательную способность поверхности и общий тепловой поток? По словам Поттера, даже блестящих автомобильных окон может быть достаточно, чтобы отражать солнечный свет.
Поттер и его команда хотят знать, как во время пандемии изменился поток тепла в городах в районе залива и как это изменение способствовало созданию более или менее здоровой окружающей среды для миллионов людей, живущих в нем. По словам Поттера, понимание потенциальных изменений теплового потока является ключевым показателем того, как COVID-19 изменил воздействие на окружающую среду в районе залива.
Источники: Кристофер Поттер, Исследовательский центр Эймса НАСА
Влияние самолетов на снижение температуры
Когда вы смотрите на чистое голубое небо и условия самые подходящие, то можете увидеть самолет, парящий над головой и оставляющий за собой отчетливый белый след из облаков.
Эти облака, или инверсионные следы, образуются выхлопными газами авиационных двигателей или изменениями давления воздуха. Уильям Смит и Дэйв Дуда, сотрудники Исследовательского центра НАСА в Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния, изучают инверсионные следы в течение нескольких десятилетий. «Инверсионные следы — одно из немногих облаков, которые мы создаем сами», — объяснил Дуда. Хотя их эффекты различаются и их трудно определить количественно, их общий эффект — потепление.
Источники: Уильям Смит, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли
Когда действуют запреты на поездки и политика изоляции из-за COVID-19, мы летаем намного меньше и производим меньше инверсионных следов. Дуда и Смит хотят количественно оценить это уменьшение, чтобы лучше понять, как плотность воздушного движения влияет на образование инверсионных следов и их радиационное воздействие. Другими словами, помогает ли охлаждать атмосферу меньше самолетов и инверсионных следов?
Команда использует установленный алгоритм обнаружения инверсионного следа для оценки атмосферы над США и североатлантическим коридором воздушного движения в период полного или частичного запрета на перелеты в 2020 году и сравнивает его с базовым периодом двумя годами ранее, когда воздушное движение было неограниченным. Дуда и Смит также используют MODIS для определения оптических свойств инверсионных следов, чтобы лучше понять, как они отражают солнечный свет и улавливают энергию от поверхности и атмосферы под ними.
Улучшение нашего понимания того, как и когда образуются инверсионные следы, могло бы помочь ученым информировать авиакомпании об идеальных маршрутах для полетов самолетов. «Возможно, удастся уменьшить инверсионные следы и их последствия, если время от времени корректировать высоту полета или маршрут, как сейчас делают авиакомпании, чтобы избежать турбулентности», — объяснил Смит.
Связь между загрязнением воздуха и сокращением осадков
Габриэле Вильярини, профессор Университета Айовы в Айова-Сити, и Вэй Чжан, ученый из того же института, хотят понять связь между снижением загрязнения воздуха во время пандемии и резким уменьшением количества осадков на западе США.
Влага в атмосфере конденсируется у мельчайших твердых частиц, таких как пыль, и падает на Землю в виде дождя и снега. Сокращение частиц во время пандемии могло быть причиной уменьшения количества осадков в феврале и марте 2020 года на западе США, где их выпало на 50% меньше по сравнению с обычным годом. Понимание того, как уменьшение количества осадков связано с уменьшением количества аэрозолей, может быть полезным для управляющих водными ресурсами.
Вилларини стремится использовать спутниковые данные НАСА о водяном паре, осадках и аэрозолях, а также комплексную модель климата. Она может сочетать такие атмосферные условия, как влажность и температура, с химическими свойствами и процессами, происходящими в атмосфере. Модель поможет ученым точно определить, в какой степени уменьшение количества аэрозолей отвечает за уменьшение количества осадков, а не за естественную изменчивость климатической системы.
«Этот проект поможет нам понять, как COVID-19 влияет на окружающую среду», — заключает Вилларини.
Как человечество влияет на качество воды и экосистем в Белизе
Прибрежная зона Белиза включает в себя крупнейший барьерный риф в Северном полушарии, прибрежные атоллы, несколько сотен песчаных рифов, мангровые леса, прибрежные лагуны и устья рек. Это одна из самых биоразнообразных экосистем в Атлантике, где обитают рыбы и морские черепахи, многие из которых находятся под угрозой исчезновения.
Семь участков системы барьерного рифа Белиза являются важной средой обитания находящихся под угрозой исчезновения видов, включая морских черепах, ламантинов и американского морского крокодила.
Роберт Гриффин, профессор Университета Алабамы в Хантсвилле, работал над проектом НАСА по изучению здоровья рифа, когда началась пандемия COVID-19. «Пандемия породила естественный эксперимент», — объясняет Гриффин. Это поможет учены лучше понять, как городские загрязнители влияют на качество воды и здоровье коралловых рифов.
Гриффин и его команда изучают, как сокращение туризма влияет на городские и сельскохозяйственные источники загрязняющих веществ, таких как азот и фосфор, на качество воды у побережья Белиза.
Помимо наземных данных, команда использует изображения Landsat, чтобы отметить, как пандемия влияет на изменения в землепользовании, которые также меняет количество производимых загрязнителей и их способность достигать водоемов и экосистем. Ученый также использует данные MODIS и VIIRS для мониторинга качества воды.
Команда Гриффина работает с правительственными чиновниками Белиза, чтобы повлиять на развитие прибрежной морской среды в ближайшие пять лет. Это исследование может служить руководством для специалистов по планированию землепользования, поскольку именно они решают, как бороться с городскими неточечными источниками загрязнения, такими как питательные вещества и отложения, которые попадают в воду и воздействуют на системы коралловых рифов.
Пыльные бури и заражение коронавирусом
Пабло Мендес-Лазаро, профессор Университета Пуэрто-Рико в Сан-Хуане, изучает, как окружающая среда может повлиять на распространение нового коронавируса, вызывающего COVID-19. В частности он хочет знать, окажет ли сезонная африканская пыль, которая ежегодно перемещается в Карибский бассейн в период с мая по август, значительное влияние на здоровье и смертность, связанную с вирусом.
Африканская пыль перемещается из пустыни Сахара через Атлантический океан в Пуэрто-Рико и Карибский бассейн. Микроорганизмы в частицах пыли могут быть связаны с инфекционными заболеваниями.
Мендес-Лазаро и его команда работают с эпидемиологами и многими другими специалистами, чтобы лучше понять, как африканская пыль влияет на здоровье населения.
Команда использует VIIRS для измерения аэрозолей в атмосфере в качестве заместителя пылевых облаков, прибывающих в Карибское море, а также MODIS и Систему мониторинга атмосферы Copernicus ЕКА для определения характеристик аэрозолей.
Мендес-Лазаро тесно сотрудничает с Министерством здравоохранения Пуэрто-Рико, офисом Национальной метеорологической службы в Сан-Хуане, а также с врачами и пациентами для сбора информации о людях, которые заразились респираторными заболеваниями в результате контакта с африканской пылью.
Погода, качество воздуха и COVID-19
Юлия Гель, профессор Техасского университета в Далласе из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, вместе с другими сотрудниками хочет выяснить, какие факторы окружающей среды могут повлиять на вторую волну COVID-19, и определить, насколько ученые могут быть уверены в этих выводах.
Ее междисциплинарная группа изучает, влияют ли температура и влажность приземного воздуха на скорость передачи коронавируса, и если да, то как происходит этот процесс. Это также помогает выявить потенциальную связь между аэрозолями и серьезностью и смертельностью заболевания.
Гель и ее сотрудники используют данные о погоде, полученные от атмосферного инфракрасного зонда на спутнике Aqua и кросс-трекового инфракрасного зонда на спутнике АЭС Суоми. Команда получит данные об аэрозолях с многоугольного спектрорадиометра и MODIS и будет использовать алгоритмы машинного обучения и расширенный анализ для отслеживания динамики распространения вируса и уровня его смертности в пространстве и времени.
В частности ее команда использует геометрические алгоритмы глубокого обучения в сочетании с анализом топологических данных. Это позволяет отслеживать модели передачи COVID-19, которые обусловлены, например, различными характеристиками населения. Речь идет о возрасте, поле, этнической принадлежности и доходе, а также о факторах окружающей среды. Расширенные инструменты позволяют группе учитывать факторы, недоступные при использовании традиционных подходов, основанных на географической близости.
Юлия Гель стремится предоставить мощный программный инструмент, который поможет предсказать сезонное развитие COVID-19 в региональном и глобальном масштабе, при этом количественно оценивая широкий спектр связанных неопределенностей.
Читать также
В США одобрили самый маленький ядерный реактор в мире
Симуляция показала, как бы выглядела темная материя
Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19