Satelita NASA niechcący nauczył się śledzić rowy irygacyjne na polach

Patrząc z kosmosu, przypominają zaledwie delikatne rysy wyryte w powierzchni gruntu. Tymczasem to rozległa sieć, dzięki której woda z rzek i zbiorników trafia na pola uprawiane dla miliardów mieszkańców planety. Problem w tym, że spora część tej infrastruktury pozostaje poza zasięgiem bieżącej obserwacji. Misja SWOT miała skupiać się głównie na oceanach, jeziorach i rzekach, lecz badacze z University of Washington ustalili, że satelita jest w stanie rejestrować również kanały irygacyjne - nawet te węższe niż 20 metrów.

Prawie 800 tysięcy kilometrów kanałów pod obserwacją

Sieć kanałów nawadniających można porównać do układu krwionośnego rolnictwa. Rzeka albo zbiornik pełni funkcję źródła, z którego odgałęziają się coraz drobniejsze trasy doprowadzające wodę do upraw. Gdy w jakimś punkcie przepływ osłabnie lub ustanie, skutki mogą ujawnić się dopiero wiele kilometrów dalej.

Kluczowa trudność polega na tym, że w licznych regionach świata nie ma stałej wiedzy o ilości wody płynącej poszczególnymi kanałami. Owszem, działają wodowskazy, prowadzone są lokalne pomiary, kontrole w terenie oraz raportowanie przez zarządców, jednak znaczna część systemu wciąż jest słabo nadzorowana.

Zespół skupiony głównie wokół University of Washington zadał sobie pytanie, czy rozwiązaniem może być satelita już znajdujący się na orbicie. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Geophysical Research Letters przeanalizowano dane z misji SWOT obejmujące około 795 tys. km kanałów w 22 krajach Azji.

Instrument nie był pomyślany do takich zadań

SWOT nigdy nie powstał z myślą o monitorowaniu rowów nawadniających pola. Misja Surface Water and Ocean Topography to wspólne przedsięwzięcie NASA oraz francuskiej agencji CNES, przy udziale partnerów z Kanady i Wielkiej Brytanii. Satelita trafił na orbitę w grudniu 2022 roku, a jego zadaniem miały być bardzo precyzyjne pomiary wysokości powierzchni oceanów i wód śródlądowych.

Spider's Web informował o SWOT już w 2023 roku, gdy kluczowy instrument pokładowy nieoczekiwanie przestał działać. Misja ostatecznie wróciła do normalnej pracy i obecnie na bieżąco obserwuje niemal cały glob. Najważniejszym narzędziem satelity jest radar interferometryczny, który z ogromną dokładnością mierzy wysokość powierzchni wody i rejestruje jej zmiany w czasie. Dzięki temu urządzenie dostrzega przeobrażenia jezior, rzek i oceanicznej tafli.

Kanały nawadniające zdawały się jednak zbyt drobne dla takiej technologii. Wiele z nich liczy sobie zaledwie kilka lub kilkanaście metrów szerokości, co leży na granicy czułości instrumentu SWOT - tam, gdzie sygnał odbity od wody zaczyna nakładać się z sygnałem gruntu, roślinności i okolicznej infrastruktury. Mimo to okazało się, że dane kryją w sobie znacznie więcej informacji, niż początkowo zakładano.

Sam satelita to jednak za mało - potrzebna była też mapa całej tej rozległej sieci. Rok wcześniej część tego samego zespołu opracowała GRAIN, czyli Global Registry of Agricultural Irrigation Networks. Korzystając z ogólnodostępnych danych kartograficznych oraz uczenia maszynowego, naukowcy skartografowali około 3,8 mln km kanałów irygacyjnych na całym świecie. Dopiero na tę bazę nałożono obserwacje zebrane przez SWOT.

Badacze nie ograniczyli się do sprawdzenia, czy w danym miejscu satelita rejestruje jasny punkt przypominający wodę. Dla każdego analizowanego odcinka oceniano między innymi stosunek siły sygnału do szumu, ciągłość pomiarów oraz to, czy zarejestrowany spadek poziomu wody koresponduje z rzeźbą terenu. Większość kanałów działa dzięki grawitacji, więc woda powinna płynąć zgodnie z nachyleniem gruntu. Gdy satelita pokazuje coś innego, rośnie ryzyko, że to zakłócenie, a nie realny pomiar.

Metodę zweryfikowano też, zestawiając ją z rzeczywistymi pomiarami wykonywanymi w kanałach na terenie Stanów Zjednoczonych. Odcinki, które algorytm oceniał jako bardziej wiarygodne, faktycznie charakteryzowały się mniejszym błędem pomiaru poziomu wody.

Gęsty las potrafi skutecznie zasłonić kanał przed radarem

SWOT wciąż ma swoje ograniczenia. Najlepsze rezultaty daje przy szerokich, regularnych kanałach poprowadzonych przez stosunkowo otwarty teren. Szczególnie dobrze wypadły między innymi dorzecze Indusu, Nizina Hindustańska, delta Bangladeszu, Nizina Chińska oraz fragment delty Mekongu.

Głównym przeciwnikiem pomiarów okazała się gęsta roślinność. Drzewa i inne rośliny otaczające kanał utrudniają radarowi wyodrębnienie sygnału wody spośród otoczenia. Problematyczne są również bardzo wąskie i nieregularne cieki wodne.

Nie ma więc mowy o tym, że NASA zyskała możliwość precyzyjnego odczytu poziomu wody z każdego rowu melioracyjnego na Ziemi. Warto doprecyzować także najbardziej spektakularną liczbę z badania - analiza objęła 22 kraje Azji, a nie cały świat. Region ten wybrano nieprzypadkowo, ponieważ rolnictwo zależne od kanałów ma tam ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa żywnościowego około 3 mld ludzi. Uzyskane wyniki sugerują, że podobną metodę dałoby się zastosować w innych częściach globu, ale wymaga to potwierdzenia w kolejnych badaniach.

Rolnik dostanie wcześniejszy sygnał ostrzegawczy

Wyobraźmy sobie rolnika szykującego się do zasiewu ryżu, czyli uprawy wymagającej dużych ilości wody. Dane o stanie kanałów mogą wskazać, że dostawy w danym sezonie będą wyraźnie niższe niż zwykle. Zamiast przekonać się o tym dopiero wtedy, gdy rośliny trafią już na pole, rolnik może zawczasu zdecydować się na mniej wymagającą uprawę. System pozwala też wychwycić miejsca, gdzie poziom wody nagle spada, przepływ podejrzanie zwalnia albo fragment sieci przestaje funkcjonować jak dotychczas.

Takie możliwości nabierają szczególnej wartości w okresach suszy, kiedy liczy się każdy dodatkowy metr sześcienny wody. W Polsce również widać, jak szybko braki wody odbijają się na rolnictwie. W wielu regionach Azji związek między stanem kanału a wielkością plonów jest jeszcze bardziej bezpośredni.

SWOT wpisuje się przy tym w znacznie szerszy trend. Satelity Landsat i Sentinel już dziś umożliwiają śledzenie kondycji pól, przebiegu suszy czy stanu roślin z częstotliwością, o jakiej jeszcze niedawno można było jedynie marzyć. Teraz do obrazu samego pola dochodzi dodatkowa warstwa informacji - o wodzie, która ma na nie dopłynąć.