Hur kartlägger man något som är både osynligt och luktfritt? Forskare vid universitetet i Oslo har tränat drönare för att hitta de bästa ställena att mäta växthusgaser på egen hand.
"Att uppskatta sådana gasflöden är inte lätt. Vi ligger verkligen i framkant av vad som görs inom detta område", säger Ph.D. kandidat Alouette van Hove vid UiO:s institution för geovetenskap.
Föreställ dig tundran på Svalbard. Eller de vidsträckta, frusna torvmarkerna i Sibirien. I tusentals år har permafrosten sett till att kolet i myrarna har hållit sig ostört, men nu blir det varmare. Metan och CO2 gas släpps ut. Nu stiger gaserna från marken till atmosfären.
"Att kunna kartlägga flöden, eller utbyten, av växthusgaser på jordens yta är nödvändigt för att kvalitetssäkra och kalibrera klimatmodeller", säger van Hove.
Mil efter mil torvmark. Här, mellan torvmarken och luften ovanför, sker ett utbyte, ett flöde, av gaser. De är viktiga delar i den globala klimatekvationen, men de uppskattningar som forskarna använder i klimatmodeller är osäkra.
Att gaserna späds ut så fort de kommer ut i luften, och bärs med av vind och väder, gör det inte lättare. En del av lösningen kan vara att mäta utsläppen nära marken med hjälp av drönare.
"Vad vi kan göra är att uppskatta flödena genom att göra observationer. På så sätt kan vi justera modellerna med faktiska mätningar", säger van Hove.
Föreställ dig att det är din uppgift att mäta dessa gasflöden. Men området du tittar över är hundratals kvadratkilometer. Var är de? Var ska du mäta?
"Gaserna är osynliga, och de luktar inte. De kan bara upptäckas med en gasanalysator. Men om du har en yta på 100 x 100 kvadratkilometer kan du inte undersöka varje meter", säger forskaren Norbert Pirk.
Han leder forskningsprojektet ACTIVATE, som står för "Actively learning experimental design in terrestrial climate science." Projektet syftar till att forska och utveckla intelligenta mätsystem för användning i klimatforskning.
Drönare används för att utföra atmosfäriska mätningar. Dessa kommer att användas för att uppskatta utbytet av kol, vatten och energi mellan jordens yta och atmosfären. Mätningarna kombineras med data från satelliter, samt mobila eller stationära mätinstallationer.
"Vi är bekymrade över samspelet mellan jordytan och atmosfären. Mellan dessa sker ett utbyte av viktiga växthusgaser. Detta utbyte är inte homogent fördelat över jordklotet. Det sker vanligtvis i lokala "hot-spots". Det är dessa vi måste hitta”, säger Pirk.
Forskarna går med i jakten på sådana hotspots och har Drone Lab vid universitetet i Oslo. Här står flera drönare redo att ge sig ut på uppdrag i klimatforskningens tjänst. Men först behöver de utbildning. Ph.D. kandidaten van Hove har sett till det.
"Man kan inte bara gå in i ett område och göra ett svep med drönaren. Det är helt enkelt för mycket att mäta. Dessutom kommer väderförhållandena att göra det så att om man mäter tio minuter senare kommer allt att se annorlunda ut", säger van Hove.
För att få den mest exakta uppskattningen av gasflödena måste de mäta på de mest informativa platserna och tidpunkterna.
"Vi måste optimera tiden vi använder med drönaren", säger van Hove.
Hon har utvecklat en metod där de använder belöningsdrivet lärande — "förstärkningsinlärning" — för att träna drönarna att veta var de ska leta efter de bästa ställena att mäta.
"För att träna drönarna skapar vi en konstgjord miljö, där drönarna kan öva. De får en belöning varje gång de gör en rörelse som visar sig vara användbar."
På så sätt kan drönaren ta reda på om det var ett bra beslut att vända åt ena hållet istället för åt andra hållet.
"Det kan jämföras med att träna hundar. Vi använder belöningar för att träna drönaren för att välja den bästa handlingen", säger van Hove.
I praktiken sker allt detta inuti ett datorprogram, där drönarnas "belöningar" inte är något annat än en specifik funktion i programmet. Drönarna körs i "trial and error"-experiment, där drönaren kan röra sig inom ett givet område. I detta område kan drönarna utföra ett visst antal åtgärder (flytta sig framåt, bakåt, uppåt, nedåt, etc.), men de får inte röra sig ut ur området.
"Så 'belöningar' ges för val av handlingar som efter en viss tid leder till ett resultat som ligger så nära sanningen som möjligt, det vill säga gasflödet", säger van Hove.
Genom experiment har van Hove kunnat visa att sådana tränade drönare kan hitta och mäta sådana hotspots av CO2 utsläpp mer exakt än om drönaren utför en förprogrammerad sökning. Detta trots att drönaren i den förprogrammerade sökningen är inställd att flyga över CO2 källa.
"Vi har visat att det är möjligt att träna drönare för att uppskatta en parameter, utan att behöva ha förkunskaper om parameterns verkliga värde", säger van Hove.
Nu ska de tränade drönarna testas i praktiken. Snart tar Pirk och van Hove 12 drönare till Svalbard.
"Nu ska vi testa drönarna ute på fältet. Sedan ska de få träna på att fatta beslut medan de är i luften", säger Pirk.
Målet är att kunna sätta drönarna i arbete vid olika observatorier i Arktis, där det för närvarande råder en särskild brist på observationsdata.
– ACTIVATE-projektet kommer att sträcka sig över fem år och jag tror att mätkampanjerna kommer att bli större och mer komplexa under projektets gång, säger Pirk som ser för sig att ha 12 drönare i drift på Svalbard sommaren 2025.
Tillhandahålls av Universitetet i Oslo
