Czym jest projekt Copernicus

8 marca bieżącego roku Phillipe Brunet, dyrektor ds. polityki kosmicznej, Programu Copernicus i Bezpieczeństwa przy Komisji Europejskiej, oznajmił, że trzy państwa z Ameryki Południowej – Brazylia, Chile oraz Kolumbia, podpisały porozumienie odnośnie współpracy związanej z programem Copernicus. Dzięki temu porozumieniu, wraz z niedawno włączonymi Indiami, USA oraz Australią, można potwierdzić, że jedna trzecia świata (włączając w to kraje Unii Europejskiej) ma już możliwość korzystania z ogromnego zasobu danych i informacji dostarczanych przez ten program.

Copernicus (poprzednio znany jako GMES – Global Monitoring for Environment and Security) to najbardziej ambitny program obserwacji Ziemi do tej pory. Zapewnia on dokładne, aktualne i łatwo dostępne informacje, pozwalające na poprawę zarządzania środowiskiem. Pomaga również w zrozumieniu i złagodzeniu skutków zmian klimatu, a także wspiera bezpieczeństwo cywilne.

Chociaż projekt Copernicus nadzorowany jest przez Komisję Europejską, to takie porozumienia ilustrują prawdziwie globalną naturę tej inicjatywy. Program ten jest nie tylko ogólnoświatowy ze względu na jego możliwości obserwacyjne, ale również ze względu na fakt, że dane z niego pochodzące są udostępniane partnerom, którzy czerpią z niego korzyści w zakresie środowiska naturalnego oraz społeczno-gospodarczych aspektów. Źródła i wpływ zmian klimatycznych nie kończą się wraz z granicami Unii Europejskiej, a dostarczone dane mogą być wykorzystywane do ochrony środowiska, lepszego zrozumienia zmian klimatycznych i łagodzenia ich skutków. Mogą być przydatne także w rozwoju społeczeństw czy w ramach rozkwitu gospodarczego.

Po drugie, niektóre z najbardziej żywotnych jak i zagrożonych ekosystemów na naszej planecie leżą w granicach nowych partnerów, np. w Amazonii, w Arktyce czy w delcie Gangesu. Program Copernicus może pomóc przygotować się na zdarzające się tam klęski naturalne oraz odpowiednio na nie odpowiedzieć.

No i wreszcie wyniki z obserwacji naszej planety stały się narzędziem do rozwoju gospodarczego, co może być korzystne nie tylko dla samej Unii Europejskiej, ale również gospodarki i przedsiębiorstw działających na terenie państw partnerskich.

Inicjatywa kierowana jest przez Komisję Europejską w partnerstwie z Europejską Agencją Kosmiczną. To właśnie dzięki niej otrzymywane są dane z ponad 30 satelitów. Natomiast sama Komisja, działając w imieniu Unii Europejskiej, jest odpowiedzialna za ogólną inicjatywę, ustalanie wymagań oraz zarządzanie usługami projektu.

Europejska Agencja Kosmiczna wykorzystuje w tym celu swoje wieloletnie doświadczenie w rozwoju i zarządzaniu programami kosmicznymi.

W ramach Copernicusa Europejska Agencja Kosmiczna opracowała nową rodzinę misji o nazwie Sentinels. Każda z nich opiera się na pracy dwóch satelitów, aby można było zarówno przedstawić nowe spojrzenie na badane obszary, a także zwiększyć badany zakres, jednocześnie dostarczając solidne dane w ramach Usług Copernicusa.

Każda z misji została wyposażona w szereg specjalistycznych technologii, takich jak radary czy instrumenty do obrazowania wielospektralnego dla rejestracji lądów, a także do monitorowania oceanów i atmosfery.

Sonda Sentinel-1A została umieszczona w przestrzeni kosmicznej 3 kwietnia 2014 roku, a nieco ponad 2 lata później dołączyła do niej sonda Sentinel-1B. Obie zostały wyniesione na orbitę przez rakietę Soyuz z francusko-europejskiego kosmodromu – Gujańskiego Centrum Kosmicznego. Misja Sentinel-1 zajmuje się obrazowaniem radarowym na orbicie polarnej 24 godziny na dobę, zwłaszcza na rzecz usług związanych z lądem i oceanami.

Jedno z pierwszych zdjęć z satelity Sentinel-2A przedstawiające piaszczystą i skalistą część Sahary leżącą na terenie Algierii. Credit: ESA/Copernicus

Sentinel-3 jest bardzo ciekawą misją z wieloma instrumentami na pokładzie sond. Dzięki nim można dokonywać dokładnych pomiarów topografii powierzchni morza, monitorować temperaturę wody i lądu, a także kolory oceanu i lądu. „Barwa” oceanu czy lądu zależy od interakcji padającego światła z cząsteczkami obecnymi w wodzie lub na innym terenie. Białe światło słoneczne składa się z kombinacji kolorów, które są rozbite np. przez krople wody. W ten sposób misja ta może wspierać systemy przepowiadania pogody na morzach i oceanach, a także pomagać w monitorowaniu środowiska wodnego oraz klimatu. Sentinel-3A pojawiła się na orbicie 16 lutego 2016 roku,

Misja Sentinel-4 skupiać się będzie na monitorowaniu koncentracji gazów śladowych w atmosferze, skupiając się na kluczowych parametrach jakości powietrza, jak dwutlenek azotu, ozon, dwutlenek siarki, formaldehyd (aldehyd mrówkowy), glikosal i aerozole. Misja będzie działać w ścisłej współpracy z sondami Sentinel-5 oraz Sentinel-5P, które będą dostarczać dodatkowo dane na temat tlenku węgla, metanu i ozonu. Planowany start sondy Sentinel-4A to 2021 rok.

Sentinel-5 jest misją, która zawiera tylko jeden instrument o nazwie UVNS – jest to spektrometr analizujący widma ultrafioletowe, widzialne, bliskiej podczerwieni oraz krótkiej podczerwieni. Podobnie jak powyższe misje, Sentinel-5 będzie monitorować jakość powietrza oraz jego składniki, jednakże w kontekście innych częstotliwości i zakresów. Ponadto codzienne przesyłanie danych w perspektywie długoterminowej będzie miało wpływ na ocenę wpływu składu powietrza na zmiany klimatu. Start misji szacowany jest na 2021 rok.

Wizualizacja Sentinel-5 Precursor przed wystrzeleniem na orbitę w 2017 roku. Credit: ESA

Natomiast na rok 2020 planowany jest start Sentinel-6, która zajmować się będzie głównie pomiarem wysokości poziomu morza i oceanów. Celem jest operacyjne wsparcie oceanografii oraz badań nad klimatem.

Copernicus stał się bardzo ujednoliconym systemem, którego ogromna ilość danych jest wykorzystywana w szeregu tematycznych usług, zaprojektowanych z myślą o korzyściach dla środowiska, w którym żyjemy, potrzebach humanitarnych, a także wspierania skutecznej polityki na rzecz zrównoważonego rozwoju. Usługi te można wyszczególnić w następującej tematyce: zarządzanie terenem, zarządzanie środowiskiem morskim, atmosferą, a także reagowanie na sytuacje kryzysowe, wspieranie bezpieczeństwa oraz monitoring zmian klimatycznych.

Usługa Monitorowania Atmosfery Copernicus (Copernicus Atmosphere Monitoring Service – CAMS) dostarcza w sposób ciągły dane oraz informacje na temat składu atmosfery. Dzięki temu poznajemy obecny stan atmosfery, a także mamy możliwość dokładnego prognozowania na kilka dni do przodu. Ponadto otrzymujemy szczegółowe wyniki analiz danych z ostatnich lat.

Usługa ta skupia się na pięciu głównych obszarach:

  • jakość powietrza oraz skład atmosfery,
  • warstwa ozonowa oraz promieniowanie ultrafioletowe,
  • emisje i powierzchniowe wycieki,
  • promieniowanie słoneczne,
  • zmiany klimatyczne.

W ten sposób CAMS ma zastosowanie w wielu domenach, takich jak zdrowie, monitorowanie środowiska, źródła energii odnawialnej, meteorologia czy klimatologia.

Codzienne dane na temat globalnego składu atmosfery uzyskiwane są dzięki monitorowaniu oraz prognozowaniu takich składników jak gazy cieplarniane (dwutlenek węgla i metan), gazy reaktywne (tlenek węgla czy dwutlenek siarki), ozon czy aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone, drobiny).

Przykładowa wizualizacja globalnej prognozy stężenia soli morskiej. Credit: CAMS

Usługa ta wykonuje też analizy przetwarzane w czasie zbliżonym do rzeczywistego, a także dzięki CAMS mamy prognozę pogody n 4 dni na przód. Dodatkowo analizuje jakość powietrza w Europie, pozwalając na ocenę powietrza, jakim oddychamy.

Ponadto zapewnia prywatnym i publicznym instytucjom oraz organizacjom zaangażowanym w korzystanie z energii słonecznej odpowiednie informacje na temat zasobów promieniowania słonecznego, co ma ogromne znaczenie dla sektorów takich jak zdrowie, rolnictwo czy odnawialne źródła energii.

Usługa Monitorowania Środowiska Morskiego Copernicus (CMEMS) dostarcza systematycznie informacje na temat fizycznego stanu, a także zmienności i dynamiki ekosystemów w morzach i oceanach przynależących do Europy.

Obserwacje i prognozy opracowane przez tę usługę znajdują zastosowanie w wielu morskich aspektach, takich jak:

  • bezpieczeństwo morskie,
  • zasoby morskie,
  • środowisko przybrzeżne oraz morskie,
  • sezonowe prognozowanie pogody oraz klimatu.

W ramach tej usługi udostępniane są dane na temat prądów, wiatrów oraz lodu morskiego, co pomaga w wyznaczaniu tras statków, a także w koordynowaniu operacji poszukiwawczo-ratowniczych, przyczyniając się w ten sposób do bezpieczeństwa na morzu.

Usługa ma również udział w ochronie oraz zarządzaniu zrównoważonymi zasobami morskimi, w szczególności w odniesieniu do akwakultury i badań w dziedzinie rybołówstwa.

Fizyczne oraz morskie biogeochemiczne składniki są również wartościowe w aspekcie monitorowania jakości wody oraz poziomu zanieczyszczeń. Wzrost poziomu morza pomaga ocenić erozję wybrzeży. Temperatura powierzchni morza jest jednym z głównych czynników wpływających na zmiany klimatyczne i ma bezpośredni wpływ na ekosystemy morskie. W związku z tym usługa CMEMS przeznaczona jest do obsługi wielu zastosowań dla środowiska morskiego oraz przybrzeżnego.

Poziom zasolenia Bałtyku na głębokości 50m z dnia 25 kwietnia 2018 roku/ Credit: EC/CMEMS

Wiele z danych pochodzących z tego rodzaju monitorowania, jak temperatura, poziom zasolenia, poziom morza, prądy, wiatry, etc., grają kluczową rolę w zakresie prognozowania pogody, a także przewidywań zmian sezonowych oraz ogólnie – klimatycznych.

Usługa Monitorowania Ziemi Copernicus (CLMS) dostarcza – dla odmiany – informacji geograficznych dotyczących pokrycia terenu oraz zmiennych związanych, przykładowo, z okresem wegetacyjnym czy cyklem hydrologicznym. Dzięki jej działaniu usprawnione jest planowanie przestrzenne, gospodarka leśna oraz wodna, a także rolnictwo i bezpieczeństwo żywności.

CLMS działa w ramach trzech głównych komponentów:

Komponent Globalny jest koordynowany przez Wspólne Centrum Badawcze prowadzone przez Dyrekcję Generalną Komisji Europejskiej. Komponent dostarcza danych dla szerokiej gamy zmiennych biofizycznych, które opisują stan roślinności, np. wskaźnik pokrycia liściowego czy współczynnik wegetacji roślin. Poza tym w ramach energetyki ekologicznej, dostarcza dane z zakresu budżetu energetycznego, jak temperatura powierzchni lądu czy albedo (stosunek ilości promieniowania odbitego – ponieważ odbijalność Ziemi nie jest wielkością stałą i jednakową w każdym miejscu planety). Ostatnim aspektem są dane na temat wody – zbiorników wodnych czy ilości wody w glebie.

Komponent Paneuropejski jest koordynowany przez Europejską Agencję Środowiska i jest odpowiedzialny za produkcję 5 zestawów danych o wysokiej rozdzielczości, które dotyczą typowo lądowych aspektów: sztuczne powierzchnie (takie jak drogi i utwardzone obszary), obszary leśne oraz rolnicze, tereny podmokłe i małe zbiorniki wodne.

Komponent Lokalny jest również kierowany przez tę samą agencję, a jego celem jest dostarczenie bardziej szczegółowych informacji uzyskanych za pomocą Komponentu Paneuropejskiego. Skupia się on na „hotspotach”, które są podatne na konkretne wyzwania środowiskowe. Dostarcza szczegółowych informacji na temat pokrycia terenu, zwłaszcza w kontekście dużych miast europejskich.

Usługa Zmian Klimatu Copernicus (C3S) odpowiada na wyzwania zarówno środowiskowe jak i społeczne powiązane ze zmianami klimatu wywołanymi przez człowieka. Usługa, która jest w trakcie wdrażania, zapewni dostęp do informacji pozwalający na monitorowanie oraz przewidywanie dalszych zmian klimatycznych. Pomoże to w lepszym dostosowaniu oraz łagodzeniu skutków tych zmian. Usługa opierać się będzie na danych pochodzących z obserwacji satelitarnej, ale również na analizie możliwych zmian klimatycznych na Ziemi w oparciu o istniejące symulacje. Będzie modelować potencjalne scenariusze w oparciu o różnorodność prognoz klimatycznych.

Usługa zapewni dostęp do kilku ważnych wskaźników klimatycznych, takich jak wzrost temperatury, podnoszenie się poziomu morza, topnienie pokrywy lodowej czy ocieplanie się oceanów. W oparciu o dane wynikające z zapisów temperatur, opadów atmosferycznych czy występujących suszy, będzie mogła określić nadchodzące zmiany klimatyczne.

Usługa Zarządzania Kryzysowego Copernicus (Copernicus EMS) zapewnia wszystkim podmiotom zaangażowanym w projekt informacje związane z zarządzaniem klęskami żywiołowymi oraz sytuacjami kryzysowymi stworzonymi przez człowieka. Dane pozwalające na takie wsparcie pochodzą z teledetekcji satelitarnej oraz dokładnych informacji geoprzestrzennych.

Jednym z dwóch najważniejszych elementów Copernicus EMS jest możliwość wczesnego ostrzegania. W tym celu utworzono dwa komponenty – Europejski System Zapobiegania Powodziom, który zapewnia przegląd trwających oraz przewidywanych powodzi na terenie Europy z 10-dniowym wyprzedzeniem oraz Europejski System Informacji o Pożarach Lasów, który dostarcza dane prawie w czasie rzeczywistym oraz udostępnia materiały historyczne na temat pożarów lasów w Europie, a także Bliskim Wschodzie i Ameryce Północnej.

Usługa Bezpieczeństwa Copernicus ma za zadanie wspierać działanie Unii Europejskiej poprzez dostarczanie informacji będących odpowiedziami na zagadnienia związane z bezpieczeństwem.

Usługa ta poprawia działania zapobiegające kryzysom, a także wpiera gotowość i reagowanie w następujących obszarach:

  • kontrola graniczna,
  • nadzór morski,
  • wsparcie dla Europejskiej Służby Działań Zewnętrznych.

Projekt Copernicus oferuje również wolny dostęp do obrazowań poprzez usługę EO Browser.

Pod adresem https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/ można znaleźć połączone archiwum danych nadesłanych z misji Sentinel-1, Sentinel-2, Sentinel-3 oraz pochodzących z innych programów i satelitów do pozyskiwania zdjęć Ziemi z kosmosu – Landsat, EvisatMeris, Proba-V czy MODIS (Moderate Resolution ImagingSpectroradiometer, czyli spektroradiometr obrazujący średniej rozdzielczości – wielospektralny skaner optyczno-mechaniczny satelitów Terra i Aqua).

Wrocław pod chmurami 23 kwietnia 2018 roku okiem Sentinel-2. Credit: Copernicus/EO Browser

Przeglądarka EO umożliwia przeglądanie i porównywanie obrazów w pełnej rozdzielczości ze źródeł podanych powyżej. Wystarczy wybrać przedmiot zainteresowania, wyznaczyć kryteria, takie jak: czas, zasięg czy zachmurzenie. Następnie otrzymane dane można porównać z danymi pochodzącymi z innych źródeł, a także zapisać wybrane wyniki.

Procesy przebiegające w tle dbają o to, aby były dobierane odpowiednie sceny, możliwe było pobieranie i przetwarzanie danych, aby można było stworzyć prawidłową mozaikę. Narzędzie do porównywania wizualnego pozwala na obserwowanie zmian na naszej planecie już od 1984 roku.