NASA szuka odpadów z tworzyw sztucznych w oceanach z kosmosu: jak EMIT i nowa biblioteka spektralna zmieniają walkę z morskimi śmieciami
Pod koniec 2025 roku zespół naukowców po raz pierwszy wykazał, że z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej można dostrzec koncentrację odpadów plastikowych na lądzie, używając instrumentu NASA EMIT. Chociaż ten system czujników został pierwotnie opracowany do pomiaru pyłu mineralnego z pustyń, niespodziewanie okazał się zdolny do rozpoznania „odcisku palca” plastiku na wysypiskach śmieci, polach uprawnych i w dużych konstrukcjach plastikowych, takich jak szklarnie. Otwiera to nowy rozdział w idei, aby to samo podejście zastosować pewnego dnia do monitorowania odpadów w morzu.
Jednocześnie grupa badaczy pod przewodnictwem młodej badaczki mórz Ashley Ohall opublikowała otwartą bibliotekę spektralną MADLib – bazę prawie 25 tysięcy precyzyjnie zmierzonych „molekularnych odcisków palców” różnych rodzajów odpadów morskich. W połączeniu z EMIT i innymi satelitami hiperspektralnymi, ta baza danych mogłaby stać się kluczowym ogniwem w rozwoju algorytmów, które będą z kosmosu śledzić ruch odpadów plastikowych na całej planecie.
Plastikowa fala zagrażająca oceanom
Odpady plastikowe są dziś zaliczane do największych zagrożeń ekologicznych dla światowych oceanów. Według szacunków Programu Narodów Zjednoczonych ds. Środowiska oraz szeregu ostatnich badań, każdego roku do mórz trafia od 8 do 11 milionów ton plastiku – od dużych sieci rybackich i opakowań po mikroskopijne cząsteczki powstające w wyniku rozpadu większych kawałków. Większość tych odpadów pochodzi z lądu, poprzez wymywanie z wysypisk, z niewłaściwie zagospodarowanych odpadów komunalnych lub przez rzeki, które niosą plastik do wybrzeży i na otwarty ocean.
Plastik w morzu stwarza liczne problemy. Gatunki morskie go połykają lub zaplątują się w niego, uszkadza rybołówstwo i turystykę, a fragmenty plastiku trafiają również do ludzkiego łańcucha pokarmowego. Analizy globalnych scenariuszy ostrzegają, że bez zmiany polityki i nawyków konsumpcyjnych ilość plastiku kończącego co roku w oceanach mogłaby do 2040 roku niemal się potroić. Oznacza to, że obok tradycyjnych środków ograniczania odpadów potrzebne jest również znacznie lepsze monitorowanie tego, co już pływa w morzu – i to na poziomie całej planety, a nie tylko poszczególnych plaż czy zatok.
Właśnie tu wchodzi na scenę technologia kosmiczna. Satelity monitorujące Ziemię od dziesięcioleci mierzą temperaturę, kolor oceanów, chmury i gazy cieplarniane. Teraz tę samą infrastrukturę próbuje się wykorzystać do mapowania „przepływów” śmieci morskich, a EMIT od NASA i nowa biblioteka MADLib są jednym z pierwszych konkretnych kroków w tym kierunku.
EMIT: instrument do pyłu, który zaczął „widzieć” plastik
EMIT, pełna nazwa Earth Surface Mineral Dust Source Investigation, został wystrzelony 14 lipca 2022 roku na platformę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Instrument został opracowany w NASA Jet Propulsion Laboratory jako część programu Earth Venture i pomyślany jako kluczowe narzędzie do badania pyłu mineralnego z pustyń i suchych obszarów. Pył ten, niesiony przez wiatry na tysiące kilometrów, może ogrzewać lub chłodzić atmosferę w zależności od swojego składu, a zadaniem EMIT jest precyzyjne zmierzenie „mapy mineralnej” tych obszarów źródłowych.
W przeciwieństwie do klasycznych kamer satelitarnych, które rejestrują zaledwie kilka szerokich kanałów spektralnych, EMIT jest spektrometrem hiperspektralnym. Mierzy on odbite światło słoneczne w ciągłym szeregu długości fal od zakresu widzialnego do krótkofalowej podczerwieni, otrzymując dla każdego piksela na powierzchni Ziemi szczegółowe „widmo” od 380 do 2500 nanometrów. W praktyce oznacza to, że dla każdego kwadratu o boku około 60 metrów na ziemi instrument nie „widzi” tylko koloru, ale także delikatną strukturę linii absorpcyjnych, które zależą od składu chemicznego obserwowanego materiału.
Kiedy badacze zaczęli systematycznie przeglądać dane z EMIT, zauważyli, że ten sam instrument, który odróżnia minerały takie jak kalcyt czy hematyt, może rozpoznać również bardzo specyficzne cechy absorpcyjne niektórych polimerów plastikowych. W pracy opublikowanej w 2024 roku wykazano, że EMIT z orbity może wykryć ślady polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE) i polichlorku winylu (PVC) na dużych wysypiskach śmieci i na obszarach rolniczych, gdzie plastik jest używany jako folia lub w strukturze szklarni. Naukowcom udało się wyodrębnić te sygnały w skali globalnej, odkrywając źródła odpadów plastikowych na wielu kontynentach.
Te wyniki potwierdziły, że technologia hiperspektralna ma potencjał do monitorowania plastiku z kosmosu – przynajmniej na lądzie, gdzie sygnał jest stosunkowo czysty, a tło prostsze niż na morzu. Następnym logicznym krokiem było pytanie: czy to samo podejście można pewnego dnia zastosować do monitorowania odpadów w oceanach?
Jak działa hiperspektralne „czytanie odcisków palców”
Podstawa sukcesu EMIT leży w technice znanej jako obrazowanie hiperspektralne lub spektroskopia obrazująca. Zamiast opisywać każdy punkt na powierzchni planety trzema podstawowymi kolorami (czerwony, zielony, niebieski), instrument mierzy odbicie światła w setkach wąskich „pasków” długości fal. Każdy minerał, plastik czy materiał organiczny pochłania i odbija światło w unikalny sposób, tworząc rozpoznawalne widmo, które eksperci często nazywają „molekularnym odciskiem palca”.
Plastik, na przykład, w zakresie podczerwieni posiada szereg charakterystycznych linii absorpcyjnych związanych z wiązaniami węgiel-wodór w łańcuchach polimerów. Różne rodzaje plastiku – polietylen, polipropylen, polistyren, poliester i inne – mają niuanse w tych widmach, w zależności od struktury chemicznej, koloru i ewentualnych dodatków. W ten sposób, przynajmniej w teorii, z orbity można odróżnić nie tylko obecność plastiku, ale także przybliżony rodzaj polimeru.
Aby jednak satelity mogły automatycznie rozpoznawać takie sygnały w rzeczywistych warunkach, konieczne jest posiadanie obszernej i standaryzowanej referencyjnej bazy widm dla szerokiego zakresu odpadów, które znajdujemy w środowisku. Właśnie tu do historii wchodzi Ashley Ohall i nowa biblioteka danych MADLib.
MADLib: globalna biblioteka odcisków odpadów morskich
Podczas stażu w NASA, badaczka mórz Ashley Ohall zebrała międzynarodowy zespół naukowców, aby rozwiązać jeden z kluczowych problemów zdalnego wykrywania odpadów morskich: brak jednolitej, wysokiej jakości biblioteki „odcisków” spektralnych różnych rodzajów śmieci. Przez lata laboratoria na całym świecie mierzyły odbicie plastiku i innych materiałów ręcznymi spektrometrami, ale dane pozostawały rozproszone po różnych bazach, tabelach i publikacjach, często w niejednolitych formatach.
MADLib – MArine Debris hyperspectral reference Library collection – powstał właśnie jako próba zjednoczenia tych danych. W pracy opublikowanej pod koniec 2025 roku w czasopiśmie Earth System Science Data autorzy podają, że biblioteka zawiera 24 889 pomiarów hiperspektralych wykonanych z 3 032 próbek odpadów, zebranych z 13 różnych źródeł danych. Znajdują się w niej zarówno materiały plastikowe, jak i nieplastikowe: kawałki liny, sieci rybackie, opony, metale, materiały piankowe, korek, szkło, a także typowe elementy opakowań, takie jak butelki, nakrętki i folie.
Szczególną uwagę poświęcono plastikowi, biorąc pod uwagę, że stanowi on największą część odpadów morskich. Biblioteka obejmuje widma 19 różnych polimerów, przy czym próbki były rejestrowane w różnych stanach: całkowicie nowe, częściowo „zwietrzałe” na słońcu, porośnięte algami, mokre i suche, a nawet w stanie zanurzenia w wodzie. Badacze przy tym rygorystycznie ustandaryzowali sposób gromadzenia i przetwarzania danych, aby późniejsze algorytmy mogły bez problemu porównywać widma z laboratorium z tymi zarejestrowanymi z powietrza lub z kosmosu.
W praktyce MADLib działa jak katalog: kiedy satelita lub samolot zarejestruje obraz hiperspektralny powierzchni morza, algorytm może każdy podejrzany piksel porównać z tysiącami znanych „odcisków” z biblioteki. Jeśli sygnał zgadza się z jakimś typem plastiku lub innego odpadu, system może z pewnym stopniem wiarygodności oznaczyć, że na powierzchni oceanu obecny jest konkretny typ materiału.
Dlaczego plastik w oceanie trudniej znaleźć niż na wysypisku
Jeśli plastik można zobaczyć na wysypiskach i w szklarniach, logiczne jest pytanie, dlaczego nie moglibyśmy go równie łatwo znaleźć na powierzchni morza. Odpowiedź leży w fizyce światła i specyfice środowiska wodnego.
Woda morska silnie pochłania promieniowanie podczerwone, czyli właśnie ten obszar widma, w którym plastik posiada najbardziej wyraźne cechy. Podczas gdy na suchym lądzie przedmioty plastikowe są wyraźnie widoczne dla EMIT i podobnych instrumentów, gdy tylko trafią do wody, ich sygnał podczerwony gwałtownie słabnie. Dodatkowy problem stwarzają fale, piana i odbicie światła słonecznego („sun glint”) na powierzchni, które mogą maskować subtelne różnice w widmie między plastikiem a na przykład algami morskimi czy naturalnym materiałem organicznym.
Kolejną trudnością jest skala problemu. Chociaż w mediach często podkreśla się istnienie wielkich „wysp śmieci”, takich jak ta na północnym Pacyfiku, większość plastiku znajduje się w formie stosunkowo małych fragmentów rozproszonych na ogromnej przestrzeni. Satelita hiperspektralny, który z wysokości kilkuset kilometrów obserwuje powierzchnię morza, musi jednocześnie:
– rozróżnić bardzo małe obiekty w pikselach o rozmiarze kilkudziesięciu metrów
– odróżnić ich widmo od często bardzo podobnych materiałów naturalnych
– radzić sobie ze zmianami oświetlenia, mętności wody i warunków atmosferycznych.
Z tego powodu eksperci podkreślają, że EMIT i podobne instrumenty obecnie najlepiej działają na lądowych źródłach zanieczyszczenia plastikiem – na przykład wzdłuż rzek, wysypisk śmieci czy stref przemysłowych blisko wybrzeża – gdzie tło jest stosunkowo „czyste” i gdzie możliwe jest mapowanie gorących punktów, zanim odpady w ogóle trafią do morza.
Jednocześnie prowadzone są eksperymenty, które łączą dane z wielu czujników i różnych platform – od satelitów i samolotów badawczych po drony i pomiary ze statków – aby znaleźć optymalną strategię wykrywania plastiku w samym oceanie.
Satelity, samoloty i sztuczna inteligencja: nowa generacja narzędzi
NASA i instytucje partnerskie w ostatnich latach wkładają znaczne wysiłki w rozwój algorytmów, które ze zdjęć satelitarnych potrafią automatycznie rozpoznawać „wyspy” odpadów morskich. W tym celu wykorzystuje się zarówno ogólnodostępne zdjęcia europejskiego systemu Sentinel-2, jak i komercyjne satelity o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. W jednym z projektów, opublikowanym w ramach programu NASA IMPACT, naukowcy trenują głębokie sieci neuronowe, aby dostrzegały płaty śmieci na powierzchni morza, porównując tysiące oznaczonych przykładów.
Kluczową rolę w takich systemach odgrywają bazy referencyjne, takie jak MADLib. Pozwalają one algorytmom polegać nie tylko na „wyglądzie” obiektu w spektrum widzialnym, ale także na subtelniejszych różnicach w sygnale hiperspektralnym. W przyszłości oczekuje się, że takie modele będą stosowane w połączeniu z nowymi misjami, takimi jak NASA PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem), wystrzelona w 2024 roku, która wynosi na orbitę kolejny zaawansowany instrument hiperspektralny do pomiaru koloru oceanów. Choć PACE nie został zaprojektowany wyłącznie dla plastiku, jego wrażliwość na zmiany właściwości optycznych warstwy powierzchniowej morza mogłaby pomóc w odróżnieniu obszarów o zwiększonej koncentracji odpadów morskich.
Równolegle rozwijane są specjalistyczne zbiory danych do uczenia maszynowego, które łączą zdjęcia satelitarne, pomiary terenowe i ręcznie oznaczone pozycje odpadów morskich. Celem jest stworzenie solidnego ekosystemu, w którym nowe algorytmy mogą być testowane i porównywane, a wyniki wykorzystywane w rzeczywistych operacyjnych systemach nadzoru mórz.
Od globalnych map do lokalnych decyzji
Dlaczego w ogóle ważne jest wiedzieć, gdzie dokładnie znajdują się pasma odpadów morskich i jakie rodzaje plastiku dominują? Odpowiedź jest prosta: bez precyzyjnych danych przestrzennych i czasowych trudno jest opracować skuteczne środki zaradcze.
Jeśli obserwacje satelitarne wykażą, że określone rodzaje plastiku gromadzą się najbardziej u ujścia konkretnych rzek, jest to sygnał dla lokalnych władz, że należy wzmocnić kontrolę wysypisk i systemów zbiórki odpadów w tych zlewniach. Jeśli okaże się, że sprzęt rybacki lub akwakulturowy stanowi znaczną część odpadów na danym obszarze, regulatorzy mogą skierować politykę w stronę lepszych standardów znakowania i zwrotu sprzętu, systemów kaucyjnych lub zachęt do stosowania alternatyw.
Mapowanie „gorących punktów” plastiku w pobliżu regionów turystycznych pomaga planować sprzątanie plaż i kampanie edukacyjne, a informacje o typach materiałów mogą być kluczowe dla przemysłu recyklingowego rozwijającego technologie przetwarzania konkretnych polimerów. Dla naukowców takie dane otwierają możliwość powiązania ruchu odpadów z prądami morskimi, wzorcami klimatycznymi i zmianami w ekosystemach.
Z tego powodu eksperci podkreślają, że dzisiejsza praca nad EMIT i MADLib to dopiero początkowa faza: aby technologia hiperspektralna naprawdę została zintegrowana z codziennym zarządzaniem morzami, konieczne jest powiązanie danych satelitarnych z lokalnym monitoringym, ramami prawnymi i decyzjami gospodarczymi.
Ludzie stojący za technologią: motywacja i nadzieja
Za liczbami i terminami technicznymi stoją konkretni ludzie. Ashley Ohall, pochodząca z Florydy, dorastała przy wybrzeżu, na którym ślady plastiku są coraz bardziej widoczne. W wypowiedziach przy okazji publikacji MADLib podkreśliła, że jej celem jest pokazanie, jak teledetekcja może stać się wiarygodnym narzędziem do monitorowania odpadów morskich – i że fakt, iż coś do tej pory nie było możliwe, nie oznacza, że nie można tego zrealizować w przyszłości.
Na poziomie kwatery głównej NASA w Waszyngtonie programy wspierające takie badania są koordynowane w ramach działów oceanografii i biogeochemii. Programowa naukowczyni Kelsey Bisson zaznacza, że ludzie mają intuicyjną, wręcz emocjonalną więź z morzem i jego zdrowiem i właśnie dlatego zadaniem agencji jest wykorzystanie zaawansowanej technologii, aby odpowiedzieć na to globalne wyzwanie. W jej perspektywie monitorowanie odpadów morskich to naturalna kontynuacja tradycji NASA polegającej na wykorzystywaniu satelitów do rozwiązywania problemów ważnych społecznie – od jakości powietrza po bezpieczeństwo żywnościowe.
Podobne stanowisko dzieli szersza społeczność naukowa skupiona wokół międzynarodowych grup roboczych ds. teledetekcji odpadów morskich. Otwarty dostęp do danych, przejrzysta metodologia i współpraca między oceanografami, ekspertami od teledetekcji, programistami i decydentami to warunki konieczne, aby techniki takie jak obrazowanie hiperspektralne mogły być w ogóle stosowane poza laboratorium.
Co dalej: od prototypu do operacyjnego systemu ochrony oceanów
Obecnie zdolność EMIT do rozpoznawania plastiku na lądzie oraz biblioteka MADLib standaryzująca prawie 25 tysięcy zapisów spektralnych stanowią fundamenty przyszłego systemu nadzoru odpadów morskich z powietrza i z kosmosu. Na tych fundamentach już budowane są prototypy algorytmów, które będą łączyć różne misje satelitarne, modele meteorologiczne i pomiary terenowe.
Następne kroki obejmują:
- dalsze rozszerzanie spektralnych baz danych, szczególnie dla plastiku w różnych warunkach w morzu (pokrycie algami, biofilm, różne grubości warstwy wody nad odpadami)
- rozwój metod łączących dane hiperspektralne z wielu widm i wysokorozdzielcze zdjęcia wizualne z komercyjnych satelitów
- harmonizację nowych misji satelitarnych – takich jak PACE i planowanych specjalistycznych misji do monitorowania odpadów morskich – z potrzebami państw nadbrzeżnych i organizacji międzynarodowych
- budowę centrów operacyjnych, które w czasie rzeczywistym lub zbliżonym do rzeczywistego będą przekształcać dane w praktyczne mapy i ostrzeżenia dla właściwych organów
Choć droga do tego celu jest długa, połączenie precyzyjnych danych spektralnych, zaawansowanych algorytmów i coraz potężniejszych czujników satelitarnych oferuje nowy rodzaj „radaru” na plastik – taki, który nie zależy od okazjonalnych ekspedycji i ręcznego pobierania próbek, ale może w sposób ciągły monitorować całą planetę. W świecie, w którym plastik coraz bardziej kształtuje ekosystemy, zdolność do śledzenia z kosmosu, gdzie się znajduje i dokąd zmierza, mogłaby stać się jednym z kluczowych narzędzi w staraniach o zachowanie zdrowia oceanów dla przyszłych pokoleń.
Źródła:- NASA / Phys.org – raport o wykorzystaniu czujnika EMIT do detekcji odpadów plastikowych i rozwoju biblioteki spektralnej MADLib link- NASA – oficjalna strona misji EMIT z opisem instrumentu, celów i statusu misji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej link- Earth System Science Data – praca naukowa „The MArine Debris hyperspectral reference Library collection (MADLib)” (Ohall i wsp., 2025), opis baze 24 889 widm z 3 032 próbek odpadów link- 4TU Research Data – repozytorium z kompletnym zbiorem widm MADLib i przynależnymi metadanymi do rozwoju algorytmów zdalnego wykrywania odpadów morskich link- NASA Earthdata / NASA IMPACT – projekty i wpisy na blogu o wykorzystaniu sztucznej inteligencji i komercyjnych satelitów do detekcji odpadów morskich oraz szerszy kontekst teledetekcji marine debris link- UNEP – przegląd zanieczyszczenia mórz plastikiem i szacunki, że ponad 11 milionów ton plastiku rocznie trafia do oceanów, z naciskiem na potrzebę globalnej odpowiedzi link
Czas utworzenia: 5 godzin temu