Come si mappa qualcosa che è allo stesso tempo invisibile e inodore? I ricercatori dell'Università di Oslo hanno addestrato i droni a trovare da soli i posti migliori per misurare i gas serra.
"Stimare tali flussi di gas non è facile. Siamo davvero all'avanguardia in ciò che viene fatto in questo campo", afferma Ph.D. la candidata Alouette van Hove presso il Dipartimento di Geoscienze dell'UiO.
Immagina la tundra delle Svalbard. O le vaste torbiere ghiacciate della Siberia. Per migliaia di anni, il permafrost ha fatto sì che il carbonio nelle paludi rimanesse indisturbato, ma ora sta diventando più caldo. Metano e CO2 vengono rilasciati gas. Ora i gas salgono dal suolo nell'atmosfera.
"Essere in grado di mappare i flussi, o scambi, di gas serra sulla superficie terrestre è necessario per garantire la qualità e calibrare i modelli climatici", afferma van Hove.
Miglio dopo miglio di torbiera. Qui, tra il terreno torboso e l'aria sovrastante, avviene uno scambio, un flusso, di gas. Sono elementi importanti nell'equazione del clima globale, ma le stime che i ricercatori utilizzano nei modelli climatici sono incerte.
Il fatto che i gas si diluiscano non appena escono nell’aria, e vengano portati via dal vento e dalle intemperie, non facilita le cose. Parte della soluzione potrebbe essere quella di misurare le emissioni vicino al suolo, utilizzando i droni.
"Quello che possiamo fare è stimare i flussi facendo osservazioni. In questo modo possiamo adattare i modelli con misurazioni effettive", afferma van Hove.
Immagina che sia tuo compito misurare questi flussi di gas. Ma l'area che stai osservando è di centinaia di chilometri quadrati. Dove sono loro? Dove dovresti misurare?
"I gas sono invisibili e non hanno odore. Possono essere rilevati solo con un analizzatore di gas. Ma se si dispone di un'area di 100 x 100 chilometri quadrati, non è possibile indagare ogni metro", afferma il ricercatore Norbert Pirk.
Dirige il progetto di ricerca ACTIVATE, che sta per "Apprendimento attivo della progettazione sperimentale nella scienza del clima terrestre". Il progetto mira a ricercare e sviluppare sistemi di misurazione intelligenti da utilizzare nella ricerca sul clima.
Per effettuare le misurazioni atmosferiche vengono utilizzati i droni. Questi verranno utilizzati per stimare lo scambio di carbonio, acqua ed energia tra la superficie terrestre e l'atmosfera. Le misurazioni vengono combinate con i dati provenienti dai satelliti e da impianti di misurazione mobili o fissi.
"Ci occupiamo dell'interazione tra la superficie terrestre e l'atmosfera. Tra queste avviene uno scambio di importanti gas serra. Questo scambio non è distribuito in modo omogeneo sul globo. Di solito avviene in "punti caldi" localizzati. Sono questi che dobbiamo trovare," dice Pirk.
Unendosi alla caccia a tali hotspot, i ricercatori hanno il Drone Lab presso l’Università di Oslo. Qui diversi droni sono pronti per partire in missione al servizio della ricerca sul clima. Ma prima hanno bisogno di formazione. Dottorato di ricerca il candidato van Hove se ne è assicurato.
"Non puoi semplicemente andare in un'area e fare una scansione con il drone. C'è semplicemente troppo da misurare. Inoltre, le condizioni meteorologiche faranno sì che se misuri dieci minuti dopo, tutto sembrerà diverso", dice van Hove.
Per ottenere la stima più accurata dei flussi di gas, devono misurare nelle località e negli orari più informativi.
"Dobbiamo ottimizzare il tempo che trascorriamo con il drone", afferma van Hove.
Ha sviluppato un metodo in cui utilizzano l'apprendimento basato sulla ricompensa, l'"apprendimento per rinforzo", per addestrare i droni a sapere dove cercare i posti migliori da misurare.
"Per addestrare i droni, creiamo un ambiente artificiale, dove i droni possono esercitarsi. Ricevono una ricompensa ogni volta che fanno un movimento che si rivela utile."
In questo modo, il drone può capire se girare in una direzione invece che nell'altra è stata una buona decisione.
"Può essere paragonato all'addestramento dei cani. Usiamo i premi per addestrare il drone a scegliere l'azione migliore", afferma van Hove.
In pratica, tutto questo avviene all'interno di un programma per computer, dove i "premi" dei droni non sono altro che una funzione specifica del programma. I droni vengono eseguiti in esperimenti di "prova ed errore", in cui il drone può muoversi all'interno di una determinata area. In quest'area, i droni possono eseguire un determinato numero di azioni (spostarsi avanti, indietro, verso l'alto, verso il basso, ecc.), ma non sono autorizzati a uscire dall'area.
"Quindi vengono date 'premi' per scelte di azioni che, dopo un certo tempo, portano a un risultato il più vicino possibile alla verità, cioè il flusso di gas", dice van Hove.
Attraverso esperimenti, van Hove è stato in grado di dimostrare che tali droni addestrati possono trovare e misurare tali punti caldi di CO2 emissioni in modo più preciso rispetto a quando il drone esegue una ricerca preprogrammata. Questo anche se il drone nella ricerca preprogrammata è impostato per sorvolare la CO2 fonte.
"Abbiamo dimostrato che è possibile addestrare i droni a stimare un parametro, senza dover avere una conoscenza preliminare del vero valore del parametro", afferma van Hove.
Ora i droni addestrati verranno testati nella pratica. Presto Pirk e van Hove porteranno 12 droni alle Svalbard.
"Ora testeremo i droni sul campo. Poi si eserciteranno a prendere decisioni mentre sono in aria", afferma Pirk.
L'obiettivo è poter mettere i droni al lavoro in vari osservatori nell'Artico, dove attualmente c'è una particolare mancanza di dati osservativi.
"Il progetto ACTIVATE durerà più di cinque anni e penso che le campagne di misurazione diventeranno più ampie e complesse nel corso del progetto", afferma Pirk, che prevede di avere 12 droni operativi alle Svalbard nell'estate del 2025.
Fornito dall'Università di Oslo
