気候科学者が衛星データ提供者に求めるもの
気候変動テクノロジーへの投資が活発化しています。科学者は、気候変動の影響を監視し緩和するために、宇宙ベースのリモートセンシング技術によって得られたデータにこれまで以上にアクセスできるようになりましたが、より迅速にデータにアクセスし、それを実行可能な政策に転換できるようにする必要があります。
新規プロバイダーによる衛星データの拡大やリモートセンシング技術の向上は、気候科学者が政府ベースの報道における重要なギャップを埋め、気候変動の全体像を浮かび上がらせるのに役立っています。
2021年のSpace Capitalのレポートによると、気候技術への投資は活況を呈しており、2019年から2020年にかけて500億ドル以上の資金を調達する企業があるとされています。地球科学は引き続き宇宙からの監視が最適であり、その投資は、排出量監視などの気候変動への取り組みに注力したり、気候変動の追跡や緩和の取り組みに既存のサービスを提供するリモートセンシング企業の出現を後押ししていると報告書は述べています。
「衛星データのインフラが整備されたことで、起業家は自社でハードウェアを開発することなく、専門性の高いアプリケーションの構築に専念できるようになった」と同報告書は述べています。「宇宙技術の進歩により、気候関連データへのアクセスがより広く行われるようになれば、早期警報システムがリスクの検出と管理に役立つだろう」
政府機関が気候変動関連プログラムに衛星由来のデータを利用する方法は多岐にわたる。例えば、米国国際開発庁（USAID）の科学者は、衛星画像を利用してセネガルにおける海面上昇の可能性をマップ化し、マラウイにおける降水量と洪水のデータを家庭調査情報と組み合わせて、鉄砲水の影響を最も受けるのはどの住民であるかを追跡しています。一方、アメリカ国務省は、宇宙から収集したデータを使って、科学者が現地に行けないアフリカの角の土壌成分を調査し、この地域のパートナーとともに気候政策の指針を示すのに役立てています。
政府と民間が提供するリモートセンシングデータの組み合わせは、科学者が観測範囲のギャップを埋め、新しい気候緩和技術を開発し、メタンと温室効果ガスの排出をより深く監視するのに役立っています。しかし、現場の研究者たちは、もっとやるべきことがあると言います。政策立案者が気候変動と戦うために、より効果的な政策を立案できるように、現在アクセスできる膨大な生データを、より速いペースで、消化しやすい方法で実用的な情報に変換する必要があるのです。
政府機関の衛星データ利用
1960年代以降、NASA、米国地質調査所、気象局（現在は米国海洋大気庁（NOAA））が協力して地球科学の研究を進めており、NASAはLandsat衛星群などの観測システムを開発し、宇宙ベースの陸域リモートセンシングデータを取得しています。Landsatは現在も運用されており、世界で最も長い間、宇宙からのデータを取得し続けています。
1972年のLandsat 1の打ち上げ以来、気候科学者は電気光学（EO）画像や合成開口レーダー（SAR）などのさまざまなリモートセンシングデータを使用して、気候変動のイメージを構築することができました。NOAAの国立環境衛星・データ・情報サービス（NESDIS）は、電波掩蔽（えんぺい）技術（RO）を気候変動の監視に役立てるための試験プログラムを開発しています。電波掩蔽は、例えばGPSの電波が地球の大気を通過するときに曲がる角度を計算することで、宇宙から大気密度などの特性を測定します。
NESDISのチーフサイエンティストであるMitchell Goldberg氏は、「商業データプログラムでは、現在、気象や気候のアプリケーション用にSpire Global社とGeoOptics社からRO技術を取得しています」と述べています。得られたROデータは、世界中の気象予報センターで使用され、気候変動の監視に利用されています。現在、NOAAは大気の変化をよりよく研究するために、政府提供のROデータと商業提供のROデータを組み合わせて使用しており、将来的には政府と商業のROデータの組み合わせが検討されている、とGoldberg氏は言います。
従来、NOAAはNASAのような米国政府の宇宙システムから取得したデータだけでなく、欧州宇宙機関（ESA）や日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）などの同盟国が運用する衛星も利用してきたと、同氏は言います。「そして、次のグループは商業ベンダーで、非常に魅力的で高性能なシステムを持っています」と同氏は加えています。
Goldberg氏は、NOAAが衛星データをより有効に活用できる方法をさらに探していると言います。彼は、衛星利用者ニーズ作業部会の議長を務め、現在の記録プログラムにおけるデータギャップを明らかにするための定期的な調査を実施しています。また、最近、商業衛星データプロバイダーを評価し、そのサービスがNOAAラインオフィスをどのようにサポートできるかを調査する研究を開始しました。
「商業部門は爆発的に成長しているので、私たちはNOAA内で、ステークホルダーにとって本当に必要なデータの種類を決定するプロセスを進めています」とGoldberg氏は言います。ワーキンググループは、商業プロバイダーが政府が構築したデータ収集を補完し、より高いテンポの解像度とより迅速なデータ検索を提供することを大まかに考えていると言います。
NASAもまた、電波掩蔽データの可能性を探っています。NASAは数年前にこの「興味深い新しいデータセット」に注目し始めたと、NASAの科学ミッション本部プログラムサイエンティストのWill McCarty氏は言います。
McCarty氏は、パイロット版の成功を経て2020年に正式に発足したCommercial Smallsat Data Acquisition（CSDA）プログラムの最初のプロジェクトサイエンティストとなり、現在は新しい衛星データタイプの実現可能性を探り、NASAが商業データベンダーと協力するための新しい手順を構築するために活動しています。CSDAでは、EO/IRからSAR、ROまで、幅広いリモートセンシングデータのオプションが検討されています。現在、プログラムオフィスは、Teledyne Brown Engineering、Maxar Technologies、Planet、Spire Globalの各社と協力しており、Airbus、BlackSky、GHGSat、GeoOptics、Iceye US、Capella Spaceとの評価も進行または計画中だと、McCarty氏は述べています。
商業衛星システムは、小型衛星よりも正確な測定が可能なNASAの主力衛星に取って代わるものではなく、隙間を埋めるためのものだと彼は指摘します。
「小型衛星や衛星コンステレーションは、大型衛星にはできない、より頻繁な観測を可能にしてくれるのです。このため、気候や気象の科学者は、政府の衛星が監視している長期的な変動に加え、地滑りや洪水など気候変動による短期的な影響を観察することができます。」
「補足データは追加情報を提供するものであり、既存の衛星がすでに対象としている情報内容を置き換えるものではありません」とMcCarty氏は言います。
衛星データへのアクセスが増えれば、科学者は気候変動の監視だけでなく、気候変動の影響を緩和する研究もできるようになる、とGoldberg氏は指摘します。ヨーロッパの異常な熱波、パキスタンの鉄砲水と地滑り、中国の歴史的な干ばつなど、気候変動の影響を追跡するだけでなく、早期警戒を行い、住民が十分に準備できるようにするために、さらなる地球観測が必要とされているのです。
「そこで、民間企業が大いに役立つのです」とGoldberg氏は言います。
「国民は異常気象への迅速な対応を期待しており、そのためにはNOAAはより予測可能で迅速な天気予報を必要としています。」
「大雨が降った場合、数分から数日、あるいは1週間、2週間先まで、高い精度と正確さで予測することが必要です。そのためには、より頻繁に観測できる新しい衛星群を利用する必要があるかもしれません。」
NESDISが気候を監視するためには、観測頻度が低くても、より高品質で継続性の高い衛星コンステレーションが必要であり、「数十年、将来にわたって追跡できるようになります」とGoldberg氏は述べています。
NESDISが利用可能な衛星データプロバイダーの調査を続ける中で、Goldberg氏はいくつかの可能性を見出しています。地球低軌道（LEO）から火災を検出できる衛星は、非常に興味深いものであると彼は指摘します。「LEOの衛星が20メートルの解像度で30分のテンポで火災の境界線が見えるとしたら、私たちは間違いなくそれに興味を持つでしょう」。SARセンサーから得られるデータは、海氷のレベルや洪水の状況をよりよくモニターするのに役立ち、科学者はその技術から海の風を導き出すこともできる、と彼は指摘しています。
しかし、NESDISが商業データをどの程度利用できるかは、その予算にかかっているとMitchell氏は付け加えます。ROデータを取得するための商業データプログラムには資金がありますが、新しい商業データの機会については、「分析を行い、予算要求を提出するプロセスを踏む必要があります」と彼は言います。
メタンガスの追跡を可能にする人工衛星データ
メタンの追跡は、気候科学者にとってこれまで困難であった分野のひとつでしたが、新しい技術とプロセスにより、現在では手の届くところまで来ています。
ハイパースペクトル画像は、メタンや温室効果ガスの排出を追跡する新しい方法として、多くの科学者に注目されています。地球観測会社のPlanet社は、NASAのJet Propulsion Laboratoryと共同で、メタン、二酸化炭素、その他の環境指標の排出をマッピングするために、Tanagerという新しいコンステレーションでハイパースペクトル画像センサーを飛行させる予定です。官民ベンチャーであるCarbon Mapperとカリフォルニア大気資源局が提供するオープンデータ・プールにより、Planet社はその証拠を自由に利用できるようにする予定です。
一方、モントリオールを拠点とするGHGSatのような企業は、宇宙から高解像度のメタンを測定する能力によって、気候科学者に新しいデータを提供しています。NASAのMcCarty氏によると、科学者はこれまでメタンをキロメートル単位の空間スケールで測定していたが、GHGSatは30メートル単位で測定することができると言います。
「私たちの大型衛星は、メタンフィールドがどのようなものであるか、広い範囲を見ることができるだけですが、実際に、個々の発生源からの個々のプルームを見ることができます」
NOAAは民間航空会社と協力して、航空機に新しいセンサーを搭載し、航空機が上昇・下降する際の大気データを追跡することを計画していると、行政機関のグローバルモニタリング研究所の所長代理兼大気資源研究所の所長であるAriel Stein氏は最近米国議会で述べています。米国政府は、メタンやその他の温室効果ガスを適切に追跡するために、グローバルな測定とモデリングの両方が必要であり、ローカルな測定も必要であるとStein氏は言います。人工衛星からの現場データと、空中のプラットフォームから収集した情報が重要になる。また、工業地帯、都市、森林など、それぞれの環境で異なるセンサーやソリューションが必要になると言います。
米国環境保護庁（EPA）研究開発局大気・気候・エネルギー国家プログラムディレクターのBryan Hubbel氏は、「連邦機関は温室効果ガスの測定で前進しているが、克服すべき知識のギャップがまだある」と指摘します。
「この作業には、さまざまな空中および衛星システムの不確実性の解消、発生源の位置や運用状況に関する情報の取得方法の確立、温室効果ガス排出量の不均衡をもたらす場所や事象の特定が含まれます」と、Hubbel氏は下院小委員会で述べています。
衛星データの実用化
Planet Federalのチーフストラテジスト兼取締役会長で、国家地理情報局（NGA）の前局長であるRobert Cardillo氏は、「画像を収集するために数十年にわたって特注の宇宙システムを構築してきたが、今ではデータに追われている」と述べています。
しかし、リモートセンシング技術によって集められた情報が爆発的に増えるにつれ、偶然であれ悪意ある理由であれ、誤ったデータが流れ込む可能性が高まっていることを、同氏は最近のPlanet社主催のウェビナーで語っています。特にデータソースが不明または検証されていない場合、地理空間保証は今や念頭に置くべき重要な要素である、と彼は付け加えました。
気候科学者は得られる限りのデータを利用しますが、生の画像の観察から政策立案へと移行するためには、偏りを考慮しつつ、情報を理解しやすい事実に変換する方法が必要です。
「NASAの科学ミッション本部で地球科学部門のディレクターを務めるKaren St.Germain氏は、「我々が持っているデータやモデルをまとめるだけでなく、それを簡単に利用できるようにするためのインターフェースを作ることです。その目標は、「あらゆるレベルのユーザーがデータにアクセスしやすく、理解しやすく、目の前の意思決定に役立てること」だと、彼女は下院小委員会に語りました。
パイロットプロジェクトは、衛星データから得られる情報を関係者が理解するための1つの方法である。政府関係者は、米国とその同盟国やパートナーが、ウクライナで進行中の戦争を評価するために商業的に得られた衛星データを利用した方法や、そのデータが他の国々で食糧や水の不安を取り巻く問題を伝えるのに役立った方法を挙げています。
米国務省の気候変動専門家チェルシー・セルバンテス・デ・ブロワは、このような観点からパイロットプロジェクトを開発したと述べています。彼女は、地球規模の気候変動への取り組みを支援する商業衛星データを利用するツールキットを開発する「素晴らしい機会」だと述べています。「このようなツールや画像を使用して、これまでなかったツールキットを改良し、設計することは非常にエキサイティングです」と、彼女はプラネットウェビナーで述べています。
衛星データのユビキタスな利用は、気候科学者にとって大きなボーナスです。より多くのリモートセンシングプロバイダーがオンラインになるにつれ、そのデータが本来の目的でなくても科学的に利用されるようになるかもしれないのです。「ある人のデータがノイズになったり、エラーの原因になったりしても、他の人にとっては非常に有用な情報かもしれません」とMcCarty氏は言います。
しかし、データ量は依然として課題であり、気候科学のコミュニティは、化学、物理学、気象学などの従来の地球科学の要素とデータ科学の両方を融合し、活用する必要があるのです。ハイパースペクトル画像は電気光学画像の10倍から100倍もの生データを含んでいるのです。
「それをどう処理するのか？そして、コンピュータ科学者ではない地球システム科学者に、コンピュータ科学者のように最適にデータを扱えというのでしょうか？ビットとバイトは扱えても、その背後にある物理を理解することはできないでしょう。」
全ての気候科学者がデータ処理ツールの使用に長けているわけではなく、全てのデータ科学者が、受け取った情報を意味のある科学的発見に解釈できるわけでもありません。「物理的に手作業で行うことが困難なほど大量のデータを持つことになりますが、データサイエンス・ツールに適応することも困難でしょう」とMcCarty氏は言います。
【原文へ】" What Climate Scientists Want from Satellite Data Providers "
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