System wczesnego ostrzegania z kosmosu

Gdyby nie praca takich specjalistów, nie mielibyśmy twardych dowodów na ocieplenie klimatu i nie bylibyśmy w stanie ocenić skali zniszczeń po powodziach czy trzęsieniach ziemi.  Magdalena Fitrzyk, Polka pracująca w Europejskiej Agencji Kosmicznej na stanowisku Remote Sensing Project Scientist – zajmuje się danymi z radarów SAR. Nam opowiedziała o tym, jak się analizuje te dane (i dlaczego wszyscy powinniśmy się interesować wynikami tych analiz), oraz o codziennej pracy w ESA i swojej niezwykłej drodze do stanowiska, które dziś zajmuje.

SAR to skrót od Synthetic Aperture Radar – Radar z Symetryczną Aperturą. Co to właściwie znaczy?

Takie instrumenty emitują w kierunku Ziemi fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofal i rejestrują sygnał, który powraca odbity od jej powierzchni. Właśnie ten powracający sygnał daje nam informacje o tym, co się dzieje na  naszej planecie – np. o pokryciu terenu, rozwoju roślin lub o zmianie wilgotności. Natomiast faza tego sygnału, po odpowiednim opracowaniu, może nam dać choćby obraz przemieszczeń, do jakich doszło np. w wyniku trzęsienia ziemi. Takie radary znajdują się na pokładzie satelitów, które ESA i inne agencje kosmiczne  wysyłają w przestrzeń kosmiczną.

Na studiach robiłaś specjalizację z geoinformatyki. To na niej nauczyłaś się analizy takich danych? 

Tak, ale geoinformatyka to znacznie szersza dziedzina. Z jednej strony, rzeczywiście mówimy o analizie danych geograficznych przy użyciu narzędzi informatycznych. Kiedyś chodziło przede wszystkim o systemy informacji przestrzennej, np. dane z map. Dziś geoinformatyka obejmuje również analizę danych satelitarnych przy wykorzystaniu narzędzi do przetwarzania Big Data, np. machine learningu.

To dlatego, że, wraz z postępem technologicznym, wzrosła ilość danych, które otrzymujemy. Są ich całe petabajty! Pojedynczy obraz satelitarny, tzw. scena satelitarna, może mieć nawet 7 GB. I to jest tylko input, a do tego trzeba dodać jeszcze output – czyli wynik procesowania tych danych.

Potrafię sobie wyobrazić oprogramowanie, które wykorzystuje się do takich celów. A co z hardware’m?

W tej domenie, w której ja pracuję – Data Exploitation – to są głównie serwery do przechowywania, udostępniania i przetwarzania danych. Zwykłe komputery nie dałyby sobie rady z obsługą takich ilości informacji, więc potrzebujemy do tego wirtualnych maszyn i możliwości “upakowania” danych w data cubes.

Polskie firmy są w czołówce, jeśli chodzi o takie rozwiązania. Realizują sporo projektów dla ESA lub Komisji Europejskiej. Chodzi m.in. o wielkie klastry obliczeniowe czy udostępnianie maszyn wirtualnych.

Od czego zaczęło się Twoje zainteresowanie geoinformatyką?

Mnie zawsze bardziej interesowała część “geo”. Informatyki na etapie podstawówki czy liceum specjalnie nie lubiłam, za to geografia fascynowała mnie od dziecka. Dlatego zdecydowałam się studiować geodezję i kartografię na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu.

Po studiach inżynierskich mogłam wybrać studia magisterskie z tradycyjnej geodezji czy wyceny nieruchomości, które mnie kompletnie nie interesowały, albo właśnie z geoinformatyki. Zdecydowałam się na tę opcję, bo nie tylko brzmiało to ciekawiej, ale też dlatego, że od dziecka miałam techniczne zainteresowania. Jako mała dziewczynka rozkręcałam różne urządzenia, żeby sprawdzić, jak działają (śmiech).

Ale prawdziwym punktem zwrotnym był dla mnie wyjazd na Erasmusa do Belgii w czasie studiów magisterskich. Mieliśmy tam kurs fotogrametrii i teledetekcji, czyli opracowywania danych lotniczych, oraz zdalnych metod obserwacji Ziemi – takich, jak właśnie SAR, choć to tylko jeden z przykładów. Inny, ten najprostszy, to satelity optyczne operujące na falach elektromagnetycznych z zakresu widzialnego i podczerwieni, które robią takie zdjęcia, jakie możemy zobaczyć w Google Earth.

Na studiach w Polsce miałam z tego dosłownie trzy godziny zajęć i nic nie zapowiadało, że może mnie to do tego stopnia wkręcić! Po powrocie do kraju wybrałam temat magisterki właśnie z zakresu teledetekcji, później robiłam z niej również doktorat.

A jak trafiłaś do ESA?

Po doktoracie wyjechałam na staż do Francji. Znalazłam ofertę z ESA i odpowiedziałam na nią, nie robiąc sobie specjalnych nadziei. Choć była to jedna z tych ofert pracy, które czytasz i czujesz się tak, jakbyś miała przed oczami własne CV. Spełniałam wszystkie kryteria!

Zostałam przyjęta na post-doca i zaledwie trzy miesiące później musiałam przylecieć do Rzymu. Wtedy się okazało, że moja praca będzie głównie związana z geoinformatyką – i że muszę sobie przypomnieć mnóstwo rzeczy ze studiów…

Dlaczego?

Moja praca miała polegać na zarządzaniu dwoma projektami. Jeden dotyczył rozwoju oprogramowania do analizy obrazów satelitarnych. Drugim była aplikacja mobilna do wizualizacji i eksploracji danych satelitarnych. Zostałam rzucona na głęboką wodę, bo musiałam tymi projektami zarządzać – a po drugiej stronie byli informatycy. Znając zarówno tę stronę “geo”, jak i IT, mogłam być łącznikiem między nimi a naukową stroną tych projektów.

To, że miałam przygotowanie geoinformatyczne, przydało się również przy testowaniu tego oprogramowania; to ja kontrolowałam, czy pewne założenia, które mieliśmy, znalazły swoje odzwierciedlenie w kodzie i dokumentacji.

Dużo musiałaś sobie przypomnieć?

Bardzo, bo geoinformatykę studiowałam osiem lat wcześniej. Wtedy programowaliśmy w Visual Basicu, a na etapie mojej pracy w ESA w powszechnym użyciu był na przykład Python, którego nie znałam. Sporo musiałam się też nauczyć, jeśli chodzi o stronę formalną – na studiach nie miałam nic o narzędziach do monitorowania projektów i zarządzania nimi.

Brzmi jak dużo nauki w krótkim czasie…

I jeszcze byłam wtedy w drugiej ciąży! W dodatku dopiero co przeprowadziliśmy się z mężem do Włoch i musieliśmy sobie zorganizować życie na miejscu. To była jazda bez trzymanki!

Ale dało mi to dużo satysfakcji, bo lubię brać udział w takich przekrojowych projektach. Źle się czuję w bardzo wąskiej działce – jeśli widzę całość projektu od różnych stron, lepiej pojmuję jego sens, i jestem skłonna się w niego bardziej zaangażować, nawet kosztem czasu i stresu (śmiech).

ESA pomaga wam się dokształcać?

Różnie z tym bywa. Na pewno organizuje kursy z zarządzania projektami. Co do innych dziedzin, można znaleźć sobie jakiś kurs zewnętrzny i ubiegać się o dofinansowanie na niego z ESA.

Marzyłaś o tym, żeby tam pracować?

Byłam w ESA wcześniej, na konferencji w czasie studiów doktoranckich. Spodobała mi się atmosfera tego miejsca i pomyślałam: “Hmm, chciałabym tu pracować”. Ale byłam wtedy bardziej zorientowana na karierę naukową i nie myślałam o pracy przy takich praktycznych projektach.

Natomiast to ogłoszenie o post-docu, na które później odpowiedziałam, było, jak już wspominałam, idealnie skrojone pode mnie! Dlatego zdecydowałam się spróbować, choć wiedziałam, że zaważy to na życiu całej mojej rodziny. Post-doc trwa minimum dwa lata, a ja miałam wtedy czteroletnią córkę. Było jasne, że, jeśli zostanę przyjęta, będziemy musieli przenieść się do Włoch. Na szczęście, mój mąż pracuje w IT, więc może to robić wszędzie.

Czym zajmujesz się teraz?

Dziś dane SAR wykorzystuje się nie tylko w celach badawczych. Są również używane w przemyśle, górnictwie, w branży transportowej czy budowlanej. Projekty, którymi się obecnie zajmuję, polegają właśnie na analizie danych radarowych w takich dziedzinach, w których jeszcze się tego nie robi. Odkrywamy, do czego można je wykorzystać.

Pracuję tez przy projektach z firmami, które tworzą dla nas dwie aplikacje do analizy danych radarowych. Moje zadanie polega na tym, żeby przedstawić im założenia tych projektów, głównie naukowe. Wykonawcy proponują nam wiele rozwiązań, ale to my decydujemy, czy one odpowiadają naszym wymaganiom i w jaki sposób będą implementowane.

Trzecia część to organizowanie szkoleń i konferencji, udział w eventach, w czasie których prezentujemy wyniki naszej pracy. To bardzo ważna część zadań ESA, bo pieniądze, które kraje członkowskie zainwestowały w te projekty – muszą się im w jakiś sposób zwrócić. Musimy zatem pokazać, na co zostały przeznaczone, i szkolić kolejne pokolenia.

Jakiego rodzaju danych dostarcza SAR? Bo jedyne, które potrafię sobie wyobrazić, to dane optyczne, np. obrazy satelitarne.

Tym również się zajmujemy, ale to tylko część naszej pracy.

SAR tym różni się od systemów optycznych, że one są systemami pasywnymi: obierają promieniowanie słoneczne, które jest odbijane od Ziemi. W ten sposób powstają właśnie optyczne obrazy satelitarne. Natomiast w systemach aktywnych, takich jak SAR, to antena umieszczona na satelicie emituje sygnał i potem go odbiera, kiedy wraca odbity od powierzchni ziemi. Te dane w czystej postaci laikowi nie powiedzą nic, dlatego udostępniane są po wstępnym przetworzeniu.

Użytkownicy dostają od nas kilka domyślnych produktów, np. obrazy amplitudy albo zespolone obrazy zawierające informacje o fazie sygnału. Na tej podstawie możemy np. określić stopień zurbanizowania danego obszaru czy pokrycia go danym rodzajem roślinności. Skąd wiemy, że sygnał wraca do nas np. z terenu zurbanizowanego? Kiedy wiązka radarowa odbija się od podłoża, a następnie od ścian budynków, to więcej energii zostanie odbitej z powrotem w kierunku radaru. Widać to na obrazie z SAR, na którym miasto odznacza się pikselami o większej jasności.

Dla odmiany, jeśli sygnał odbija się od powierzchni płaskiej i gładkiej, jego intensywność jest mniejsza, ponieważ większość energii zostaje odbita z dala od radaru. Tylko część do niego wraca i może być zarejestrowana. Taki obszar widzimy jako ciemniejszy i wiemy, że jest to np. woda.

Jeśli sąsiaduje on z obszarami dużo jaśniejszymi, wniosek może być taki, że jest to zbiornik wodny w środku miasta. Oczywiście, pomiędzy tymi jasnymi i ciemnymi plamami są jeszcze różne odcienie szarości, które pokazują nam różne inne typy pokrycia terenu.

Nieco innych danych dostarczają nam obrazy zespolone, na których mamy informację o fazie sygnału. Możemy np. policzyć różnicę tej fazy zarejestrowanej na dwóch obrazach, a na tej podstawie stwierdzić, czy na powierzchni ziemi nastąpiły jakieś przemieszczenia. Te, do których dochodzi w wyniku trzęsienia ziemi, to dość oczywisty przykład. I “stary”, bo z czasów, gdy satelity rejestrowały jedną scenę z danego obszaru co 30 dni.

Te obecne mogą to robić nawet co sześć dni. Pobierając dane częściej, mamy ich znacznie więcej, a to pozwala nam rejestrować zmiany, do których cały czas dochodzi w wyniku naturalnych procesów zachodzących na Ziemi. Mówimy tu nie o ruchach wywołanych właśnie trzęsieniem Ziemi czy wybuchami wulkanów, ale o dosłownie centymetrowych przemieszczeniach budynków w miastach.

W czym te dane są lepsze od optycznych?

Widać to choćby przy monitorowaniu powodzi. Mikrofale przenikają przez chmury, więc informacje zbierane przez SAR są w warunkach powodzi dużo bardziej użyteczne, niż te z systemów optycznych. Nie wykonasz dobrego zdjęcia satelitarnego przy dużym zachmurzeniu i deszczu. Nie zrobisz tego również w nocy. A my na obrazach radarowych widzimy zmiany intensywności odbitego sygnału na obszarach zalanych. Mówiąc najprościej – teren, który wcześniej na obrazie radarowym był jasny, teraz jest ciemny, bo obecność wody zmienia kierunek odbicia sygnału radarowego, a zatem też jego intensywność na zarejestrowanym obrazie.

Czyli to od was dostajemy dane o smogu i ociepleniu klimatu?

Tak. Dzięki satelitom radarowym obserwujemy np. obszary polarne. Wiemy już, że kolejna część lodowca szelfowego będzie się wkrótce odrywała, bo rejestrujemy coraz większe pęknięcia na jego powierzchni. Na tej podstawie możemy stwierdzić, kiedy to nastąpi.

Nie powstrzymamy zmian, ale uzyskujemy coś w rodzaju systemu wczesnego ostrzegania. Bo na podstawie tego rodzaju badań tworzymy również prognozy.

Np. lodowcom nasze radary przyglądają się od 30 lat. Widzimy, jaki jest trend: pokrywa lodowa po prostu się kurczy. Wiedzieliśmy o tym już 20 lat temu. Wtedy jednak nie mieliśmy danych, żeby powiedzieć coś więcej na temat dynamiki tych zjawisk, nie byliśmy w stanie potwierdzić również, że pewne zmiany są nieodwracalne. Dziś mamy już na to dowody.

W 2021 r. wystrzelimy w kosmos nowego satelitę w ramach misji Biomass. Ma on zbierać m.in. informacje o zmianach w biomasie lasów amazońskich – to jest ekstremalnie ważne w kontekście zmian klimatycznych.

Prognozy nie są optymistyczne?

Są po prostu złe! Obserwujemy zjawiska, które mogą prowadzić do globalnej katastrofy. Do jednoznacznego potwierdzenia takiego scenariusza brakuje nam jednak pewnych danych. Niewiele wiemy choćby o prądach oceanicznych. Musimy zbudować satelitę, który pomoże nam w badaniu tego zjawiska.

Ale już dziś, na podstawie tych informacji, które mamy, można powiedzieć wprost: to nie wygląda dobrze.

Masz poczucie, że robisz coś, żeby ten trend powstrzymać?-

Mogę być częścią takiego procesu. Uważam, że moja praca to swego rodzaju misja. Robię coś nie tylko dla siebie i swoich dzieci. Taka sprawczość jest bardzo motywująca!

Co robicie z takimi prognozami? Informujecie o nich Komisję Europejską albo inne instytucje?

Tak, to jedno z zadań ESA. Informacje, które zdobywamy, są własnością wszystkich krajów członkowskich. Na ich podstawie powstają wytyczne i dyrektywy dla tych krajów. Dlatego składamy raporty z naszej działalności różnym instytucjom i przedstawiamy je np. na międzynarodowych szczytach klimatycznych. Zresztą robi to nie tylko ESA, ale też NASA czy agencje kosmiczne poszczególnych państw. My jako Europejska Agencja Kosmiczna współpracujemy z nimi wszystkimi przy dystrybucji danych i innych projektach.

Na efektywność tej współpracy na pewno wpływa to, że od niedawna dane ESA i kilku innych podobnych podmiotów są ogólnodostępne. Jeśli chcesz, możesz wejść na odpowiednią stronę internetową i ściągnąć sobie większość danych za darmo! To ogromna, wręcz rewolucyjna zmiana. Jeszcze kiedy robiłam doktorat, jedna scena satelitarna obejmująca kilkanaście kilometrów kwadratowych kosztowała tysiąc euro!

Skoro o swojej pracy mówisz jako o misji, czy zdarza się, że jakieś szczególnie niepokojące dane nie dają Ci spać po nocach? 

Bywa. Włączam wtedy zdalnie processing na wirtualnej maszynie i na smartfonie sprawdzam, kiedy dostanę wyniki (śmiech).

Pracowałam wcześniej na uniwersytecie i miałam zajęcia ze studentami zaocznymi. Byłam bardzo zajęta, również po godzinach. Kiedy przyjechałam do ESA, obiecałam sobie już pierwszego dnia: “Moja praca, przynajmniej fizycznie, będzie zamykała się na tej bramie”.

To wcale nie jest takie łatwe, bo mam znajomych z tej samej branży i wszyscy żyjemy tymi tematami. Postanowiłam jednak, że nie będę pracować w domu, i rzeczywiście zdarzyło mi się to zaledwie kilka razy w ciągu tych czterech lat, w sytuacjach awaryjnych. Wiem, że może mogłabym zrobić więcej, gdybym siedziała nad tym po godzinach. Ale posiadanie rodziny i wychowanie dzieci jest również czasochłonnym i odpowiedzialnym zajęciem. Na wszystko w życiu musi być właściwy czas.

Masz dwie małe córki. One wiedzą, czym się zajmujesz? Starasz się zainteresować je tematem STEM?

Oczywiście! Na jednym z pierwszych launch eventów, które towarzyszą wystrzeleniu satelity w kosmos, moja starsza córka, wtedy czteroletnia, większą część imprezy przespała, ale obudziła się na samą końcówkę odliczania, odliczyła od dziesięciu do zera i zasnęła z powrotem (śmiech). Dziś ma dziewięć lat i bardzo dobrze rozumie, czym się zajmuję, a nawet chce mi pomagać w prowadzeniu zajęć dla dzieci. Przy okazji tych o cyrkulacji wody w przyrodzie dałam jej materiały na pendrivie i ona to bardzo ładnie zaprezentowała swoim rówieśnikom po włosku (śmiech).

Wpływ środowiska też jest bardzo ważny. Moje dzieci są zanurzone w tych tematach, którymi ja zajmuję się w pracy, bo obracamy się wśród ludzi, którzy robią podobne rzeczy. Chociaż moja starsza córka ma raczej zajęcie inżynierskie – chce konstruować roboty. Już rok temu powiedziała mi, że zrobi robota o nazwie Tutti, czyli po włosku “wszystko”, który będzie wszystko robił w domu. Nawet narysowała jego projekt! Tutti ma mieć wiele ramion i każde z nich będzie wykonywało inną czynność – w jednym będzie miał szmatę, w drugim odkurzacz itd. Trzymam kciuki za ten projekt, zwłaszcza, że prototyp ma być dla mnie!

Ja chcę drugi egzemplarz!

Karolina Wasielewska

Pracuję w radiu i od czasu do czasu w prasie. Lubię: jesień, książki Lema, sporty przeróżne, koty, niespieszne pichcenie w wolne dni, czerwone wino, wesołe miasteczka, historie o superbohaterach, czasami Beastie Boys, a czasami Dianę Krall. Nie lubię: upałów, agresji, gotowania w pośpiechu i wielu innych rzeczy, których nie lubię, więc nie chcę nawet o nich pisać.