MIT ostrzega: bez większej liczby satelitów nie widzimy rzeczywistego wpływu smug kondensacyjnych samolotów na klimat

MIT: Więcej oczu na niebie ujawnia, jak bardzo smugi kondensacyjne samolotów ocieplają planetę

Nowa praca naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) otwiera ważny rozdział w dyskusji na temat wpływu transportu lotniczego na klimat. Analizując zdjęcia satelitarne, naukowcy wykazali, że satelity na orbicie geostacjonarnej, na których obecnie najbardziej polegamy, pomijają około 80 procent smug kondensacyjnych (contrails), które są widoczne z bardziej precyzyjnych satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej. Wniosek jest jasny: bez „większej liczby oczu na niebie” trudno dokładnie oszacować, jak bardzo lotnictwo w rzeczywistości ogrzewa atmosferę – i jak możemy ten efekt szybko zmniejszyć.

Smugi kondensacyjne powstają, gdy gorące spaliny silników odrzutowych napotykają zimne i wilgotne warstwy powietrza. Powstające wówczas kryształki lodu tworzą cienkie białe pasy za samolotem, a w sprzyjających warunkach atmosferycznych pasy te mogą przekształcić się w szerokie, długotrwałe chmury, które godzinami zakrywają duże obszary nieba. Choć na pierwszy rzut oka wydają się nieszkodliwe, ostatnie analizy naukowe pokazują, że smugi kondensacyjne mogą być odpowiedzialne za około połowę całkowitego wpływu lotnictwa na klimat, co jest porównywalne z wpływem emisji CO₂ z tego samego sektora.

W momencie, gdy Europa i reszta świata zwiększają nacisk na dekarbonizację transportu lotniczego, badanie MIT pojawia się jednocześnie jako ostrzeżenie i okazja: jeśli chcemy poważnie stosować strategie unikania najbardziej szkodliwych dla klimatu smug, musimy najpierw wiedzieć, ile ich jest, gdzie powstają i jak długo trwają. A do tego, jak się okazuje, nie możemy już polegać tylko na jednym typie satelity.

Smugi kondensacyjne jako ukryta emisja lotnictwa

Wpływ lotnictwa na klimat przez długi czas utożsamiano niemal wyłącznie z emisjami dwutlenku węgla. Jednak w ciągu ostatnich dziesięciu lat rośnie konsensus naukowy, że efekty inne niż CO₂ – przede wszystkim smugi kondensacyjne i chmury powstałe w wyniku ich ewolucji – mogą mieć równie duży, a w krótszym horyzoncie czasowym nawet większy wkład w ogrzewanie planety niż samo CO₂. Analizy międzynarodowych organizacji transportu lotniczego szacują, że efekt radiacyjny smug kondensacyjnych jest porównywalny pod względem wielkości z efektami emisji CO₂ z lotnictwa.

Kluczowy problem polega na tym, że nie wszystkie smugi kondensacyjne są równe. Wiele z nich rozpada się w ciągu kilku minut i ma ograniczony lub nawet lekko chłodzący efekt, ponieważ odbijają część energii słonecznej z powrotem w kosmos. Inne, zwłaszcza te powstające w warunkach nocnych i zimowych, mogą utrzymywać się godzinami i działać jak koc termiczny, który zatrzymuje promieniowanie długofalowe z powierzchni planety. Prace naukowe wskazują, że stosunkowo niewielka liczba lotów – zaledwie kilka procent – generuje większość całkowitego efektu ocieplenia powodowanego przez smugi, podczas gdy większość smug ma znacznie mniejszy wpływ na klimat.

Z tego powodu unikanie smug kondensacyjnych coraz częściej wymienia się jako „szybkie zwycięstwo” w polityce klimatycznej lotnictwa. Szacunki pokazują, że zoptymalizowane przekierowanie bardzo małej liczby lotów przez kilkaset metrów innej wysokości lotu mogłoby o połowę zmniejszyć ocieplenie klimatu spowodowane smugami, przy jedynie marginalnym wzroście zużycia paliwa i kosztu biletu. Aby jednak takie środki były skuteczne, konieczne jest wiarygodne rozpoznanie obszarów atmosfery, w których w ogóle powstaną trwałe, najbardziej szkodliwe dla klimatu smugi. Tu na scenę wkraczają satelity.

Dlaczego satelity są kluczowe dla „prognozowania smug”

Większość dotychczasowych badań nad smugami kondensacyjnymi opierała się na zdjęciach z satelitów geostacjonarnych. Satelity te „stoją” nad tym samym punktem Ziemi na wysokości około 36 tysięcy kilometrów i nieprzerwanie filmują duży obszar, z nową klatką co kilka minut. W praktyce oznacza to, że służby meteorologiczne, władze lotnicze i naukowcy otrzymują ciągły obraz rozwoju chmur, burz i wysokich chmur lodowych, do których zaliczają się rozwinięte smugi.

Jednak takie pokrycie przestrzenne i czasowe ma swoją cenę – ograniczoną rozdzielczość. Ze względu na odległość satelitów geostacjonarnych pojedyncze piksele na obrazie mogą reprezentować kilka kilometrów na ziemi. To wystarczy, aby wyraźnie widzieć duże, rozprzestrzenione smugi i struktury chmur, ale nie najwcześniejsze fazy powstawania smug, gdy są one jeszcze krótkie i cienkie, dokładnie w momencie, gdy wydostają się z silników odrzutowych samolotu.

Z drugiej strony, satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) – takie jak te wyposażone w instrument VIIRS – krążą na wysokościach kilkuset kilometrów i przelatują nad Ziemią w wąskich pasach. Ich zdjęcia mają znacznie lepszą rozdzielczość przestrzenną i mogą rozróżnić znacznie cieńsze i krótsze struktury w atmosferze. Jednak satelity LEO przelatują nad tą samą częścią Ziemi tylko raz lub kilka razy dziennie, co oznacza, że nie zapewniają ciągłego monitorowania rozwoju chmur i smug z minuty na minutę.

W praktyce satelity geostacjonarne stały się „wołami roboczymi” systemów wykrywania smug kondensacyjnych. To na nich opierają się liczne projekty badawcze, a także eksperymentalne algorytmy, które próbują w czasie rzeczywistym przewidzieć, gdzie pojawią się trwałe smugi. Naukowcy z MIT postanowili przetestować, jak pełny jest ten obraz – i co pomijamy, biorąc pod uwagę tylko zdjęcia geostacjonarne.

Co wykazało porównanie zdjęć GEO i LEO przeprowadzone przez MIT

W nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie Geophysical Research Letters zespół z Wydziału Aeronautyki i Astronautyki MIT porównał dwa główne rodzaje satelitarnych obserwacji smug kondensacyjnych. Jako przedstawiciela platformy geostacjonarnej wzięli instrument Advanced Baseline Imager (ABI) na jednym z amerykańskich satelitów meteorologicznych, natomiast jako referencję wysokiej rozdzielczości wykorzystali instrument Visible Infrared Radiometer Suite (VIIRS) z kilku satelitów na niskiej orbicie.

Naukowcy dla każdego miesiąca od grudnia 2023 r. do listopada 2024 r. wybrali po jednym zdjęciu kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych zarejestrowanym przez instrument VIIRS. Następnie znaleźli czasowo jak najbliższe odpowiadające im zdjęcia tego samego obszaru z geostacjonarnego ABI. Wszystkie zdjęcia były w widmie podczerwieni i przedstawione w sztucznych barwach, aby łatwiej wyróżnić cienkie struktury lodowe odpowiadające smugom kondensacyjnym, zarówno w dzień, jak i w nocy.

Następnie nastąpiła żmudna ręczna praca: naukowcy dla każdego zdjęcia ręcznie przeszukiwali kadr, przybliżali poszczególne części i zaznaczali każdą wyraźnie widoczną smugę. Potem porównywali, ile z tych smug było rozpoznawalnych na zdjęciach geostacjonarnych, a ile było widocznych tylko na zdjęciach LEO wysokiej rozdzielczości.

Wynik był zaskakująco jednoznaczny. Na zdjęciach z satelity geostacjonarnego średnio nie było widać około 80 procent smug, które były wyraźnie rozróżnialne na zdjęciach LEO. Instrumenty GEO znacznie lepiej „wychwytują” długie, szerokie i rozwinięte smugi kondensacyjne, podczas gdy VIIRS i podobne czujniki LEO odkrywają również całe spektrum krótszych, cieńszych i „młodszych” smug, które dopiero co wydostały się z silników samolotów lub dopiero zaczęły się rozprzestrzeniać.

Autorzy podkreślają, że nie oznacza to, iż 80 procent wpływu smug na klimat jest niewidoczne z orbity okołoziemskiej. Duże, długotrwałe smugi, które satelity geostacjonarne jednak rejestrują, są prawdopodobnie odpowiedzialne za największą część całkowitego ocieplenia, ponieważ pozostają dłużej w atmosferze i pokrywają większe obszary. Jednak jednocześnie fakt, że ogromna większość smug w ogóle nie jest widoczna w standardowych produktach geostacjonarnych, oznacza, że modele opierające się tylko na danych GEO siłą rzeczy dają niepełny obraz.

Zespół MIT wyciąga zatem wniosek, że zwłaszcza w kontekście przyszłych polityk publicznych i potencjalnych obowiązków unikania smug przez linie lotnicze, nie powinniśmy polegać na jednym instrumencie ani na jednej konfiguracji orbitalnej. Dopiero dzięki połączeniu danych z satelitów geostacjonarnych i niskorbitalnych, przy uzupełnieniu obserwacjami z ziemi, możliwe jest uzyskanie wiarygodnych statystyk na temat tego, gdzie, kiedy i jak często powstają istotne dla klimatu smugi kondensacyjne.

Od laboratoriów do kontroli lotów: czy smug można uniknąć w praktyce?

Pomysł, aby piloci, przy pomocy nowych prognoz meteorologicznych i analiz satelitarnych, mogli dostosowywać wysokość lotu w celu unikania stref sprzyjających powstawaniu trwałych smug, nie jest już czystą teorią. W ciągu ostatnich lat przeprowadzono liczne loty próbne w Europie i Ameryce Północnej, w których linie lotnicze, instytuty badawcze i kontrola ruchu lotniczego testowały operacyjne „objazdy”, aby ograniczyć powstawanie najbardziej szkodliwych smug.

Badania pokazują, że niewielka liczba celowych zmian tras – często w przypadku zaledwie kilku procent wszystkich lotów – może skutkować znacznym zmniejszeniem wpływu smug na klimat. Część badań sugeruje, że około 3 procent lotów globalnych generuje około 80 procent całkowitego ocieplenia związanego ze smugami kondensacyjnymi. Jeśli dla tych lotów wcześniej zidentyfikuje się warstwy atmosferyczne, w których powstaną trwałe, grube optycznie smugi, i przekieruje się loty o kilkaset metrów powyżej lub poniżej tych warstw, możliwe jest wyeliminowanie ponad połowy tego efektu przy globalnym wzroście zużycia paliwa o mniej niż jeden procent.

Europejska Agencja Bezpieczeństwa Lotniczego oraz centra badawcze, takie jak Maastricht Upper Area Control Centre (MUAC) należące do EUROCONTROL, już testują, jak zintegrować takie rozwiązania z codzienną pracą kontrolerów i planistów lotów. Kluczowymi wyzwaniami są wiarygodność prognoz, obciążenie przestrzeni powietrznej i dostępność danych w czasie rzeczywistym. Tutaj analiza MIT wpisuje się jako ważne przypomnienie, że jakości prognozy unikania smug nie można oceniać bez szczegółowego zrozumienia ograniczeń samych czujników satelitarnych.

Obecnie projekty pilotażowe głównie łączą modele meteorologiczne, historyczne zdjęcia satelitarne i weryfikację podczas samego lotu, a wyniki są wstecznie porównywane z obserwacjami satelitarnymi, aby sprawdzić, czy dany lot rzeczywiście wytworzył mniej trwałych smug. Jeśli przy tym część tych smug pozostaje niewidoczna dla satelitów geostacjonarnych, istnieje ryzyko, że skuteczność środków zostanie przeszacowana lub niedoszacowana, w zależności od tego, która część statystyk zostanie pominięta.

Europa zapowiada monitorowanie efektów lotnictwa innych niż CO₂

W międzyczasie ramy polityczne w Europie gwałtownie się zmieniają. Unia Europejska od 2025 roku zaczęła wprowadzać obowiązek monitorowania i raportowania efektów transportu lotniczego innych niż CO₂, w tym smug kondensacyjnych, dla lotów wewnątrz Unii. Planuje się rozszerzenie takiego nadzoru również na loty międzynarodowe w drugiej połowie dekady. Celem jest, aby przy ocenie śladu klimatycznego przewoźników lotniczych nie brano już pod uwagę tylko emisji dwutlenku węgla, ale także krótkoterminowe, lecz intensywne skutki, takie jak smugi.

Równolegle z inicjatywami europejskimi, na poziomie Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego (ICAO) toczy się dyskusja o tym, jak lepiej włączyć efekty inne niż CO₂ do istniejącego systemu mechanizmów rynkowych i standardów, takich jak globalny schemat CORSIA. Choć na razie nie ma globalnie wiążących ram dla smug, nacisk społeczności naukowej i społeczeństwa obywatelskiego na włączenie tego aspektu do krajowych planów klimatycznych jest coraz silniejszy, zwłaszcza po nowych badaniach pokazujących, że smugi kondensacyjne są jednym z głównych czynników wpływających na całkowity koszt klimatyczny lotnictwa.

Badanie MIT wpisuje się w ten trend jako bardzo konkretny wkład – pokazuje, że nawet sam „obraz nieba”, na którym budujemy politykę, jest wciąż niepełny. Jeśli w przyszłości, na przykład, wprowadzone zostaną dodatkowe opłaty za loty wlatujące w strefy wysokiego prawdopodobieństwa powstawania trwałych smug, dla organów regulacyjnych niezwykle ważne będzie poznanie dokładności systemów wykrywania, którymi się posługują.

Więcej czujników, otwarte dane i przestrzeń dla sztucznej inteligencji

Autorzy badania MIT opowiadają się zatem za podejściem łączącym satelity geostacjonarne i LEO z sieciami kamer na ziemi. W idealnych warunkach kamery naziemne rozmieszczone wokół większych korytarzy powietrznych mogą w czasie rzeczywistym zauważyć moment powstania smugi i powiązać go z konkretnym lotem i jego wysokością. Następnie tę samą smugę można śledzić w kolejnych godzinach za pomocą satelitów geostacjonarnych, aby zrekonstruować jej „cykl życia” – od cienkiego strumienia za silnikiem do rozległej chmury kryształków lodu.

Takie podejście otwiera drogę do opracowania znacznie dokładniejszych modeli, które mogłyby prognozować, gdzie w nadchodzących godzinach powstaną trwałe, najistotniejsze dla klimatu smugi. W tle stoi przy tym ogromna ilość danych: już dziś istnieją publicznie dostępne zbiory ręcznie zidentyfikowanych smug na zdjęciach satelitarnych, przeznaczone właśnie do trenowania algorytmów uczenia maszynowego. Gdy te zbiory danych zostaną połączone ze szczegółowymi informacjami o lotach i warunkach atmosferycznych, możliwe jest opracowanie modeli, które w czasie rzeczywistym ostrzegają planistów lotów i kontrolę ruchu lotniczego o strefach zwiększonego ryzyka.

Rola satelitów geostacjonarnych przy tym nie znika – wręcz przeciwnie, pozostają one kluczowym źródłem ciągłych obserwacji, których nie da się zastąpić. Jednak, jak pokazują wyniki MIT, ich ograniczenia muszą być wyraźnie wzięte pod uwagę: bez uzupełnienia danymi z satelitów niskorbitalnych i z ziemi, obliczenia wpływu transportu lotniczego na klimat ryzykują systematyczne niedoszacowanie lub błędne rozłożenie między loty i regiony.

Dla branży lotniczej, która już boryka się z wysokimi kosztami dekarbonizacji poprzez zrównoważone paliwa i przyszłe technologie niskowęglowe, smugi kondensacyjne stanowią być może najbliższą okazję do stosunkowo taniej redukcji śladu klimatycznego. Zespół MIT ostrzega jednak, że byłoby przedwczesne wprowadzanie szerokich operacyjnych obowiązków unikania smug bez solidnych podstaw naukowych i wiarygodnych narzędzi monitorowania. Jak podkreślają autorzy, dopiero dzięki połączeniu różnych czujników, dokładnych prognoz meteorologicznych i systematycznej weryfikacji wyników możliwe jest opracowanie strategii, które rzeczywiście zmniejszą ocieplenie, a nie tylko przeniosą problem z jednej części nieba w inną.

W dłuższej perspektywie sukces takich podejść będzie zależał nie tylko od postępu w technologii satelitarnej, ale także od woli politycznej, aby rzeczywiście wprowadzić nowe narzędzia do praktyki operacyjnej. Podczas gdy liczba lotów nadal rośnie, a cele klimatyczne stają się coraz surowsze, kwestia smug kondensacyjnych powoli przenosi się z prac naukowych do centrum debaty o przyszłości transportu lotniczego. To, czy „więcej oczu na niebie” stanie się również większą rzeczywistą odpowiedzialnością za klimat, jest obecnie przede wszystkim kwestią wyboru organów regulacyjnych, przemysłu i pasażerów.

Źródła:
- Massachusetts Institute of Technology / Mirage News – komunikat o badaniach nad ograniczeniami satelitów geostacjonarnych w wykrywaniu smug kondensacyjnych (link)
- Euchenhofer M. V. i wsp. – materiały naukowe i techniczne dotyczące obserwacji smug i ograniczeń satelitów geostacjonarnych, w tym publicznie dostępne zbiory ręcznie zidentyfikowanych smug (link)
- Air Transport Action Group (ATAG) – dokument przeglądowy na temat wpływu smug kondensacyjnych na klimat i opcji operacyjnych ich ograniczania (link)
- Transport & Environment – analiza kosztów i potencjału unikania smug poprzez ograniczone zmiany tras lotów (link)
- EUROCONTROL / MUAC – artykuł o opracowaniu i testowaniu środków unikania smug kondensacyjnych w europejskiej przestrzeni powietrznej (link)
- Chalmers University of Technology – badania nad całkowitym kosztem klimatycznym lotnictwa i rolą smug kondensacyjnych (link)
- Financial Times – analiza wpływu transportu lotniczego na klimat i roli smug, w tym europejskie plany monitorowania efektów lotów innych niż CO₂ (link)