– Vi er virkelig i front med det vi gjør her, sier stipendiat Alouette van Hove ved UiOs institutt for geofag. Hun snakker om å anslå såkalte gassflukser, som betyr utveksling av gasser.
Usikre gasstall
Se for deg tundraen på Svalbard. Eller de store, frosne myrområdene i Sibir. I tusenvis av år har permafrosten sørget for at karbonet nede i myra har ligget i ro. Men nå blir det varmere. Metan og CO2-gass løses ut. Nå stiger gassene opp fra bakken og ut i atmosfæren.
– Å kunne kartlegge flukser, eller utveksling, av drivhusgasser på jordoverflaten er nødvendig for å kunne kvalitetssikre og kalibrere klimamodellene, sier van Hove.
Mil etter mil med myrområder. Her, mellom den myrholdige bakken og lufta over, skjer det en utveksling, en fluks, av gasser. De er viktige brikker i det globale klimaregnskapet, men beregningene forskerne bruker i klimamodellene er usikre.
At gassene tynnes ut så snart de kommer ut i luften og føres av gårde med vind og vær, gjør det ikke enklere. En del av løsningen kan være å måle utslippene nært bakken, ved hjelp av droner.
– Det vi kan gjøre, er å anslå eller estimere fluksene ved å gjøre observasjoner. Slik kan vi justere modellene med faktiske målinger, sier van Hove.
Intelligente målesystemer
Tenk deg at det er din oppgave å måle disse gassfluksene. Men området du ser utover, er hundrevis av kvadratkilometer stort. Hvor er de? Hvor skal du måle?
– Gassene er usynlige, og de lukter ikke. De kan bare detekteres med en gassanalysator. Men har du et område på 100 ganger 100 kvadratkilometer, så kan du ikke undersøke hver meter, sier forsker Norbert Pirk.
Han leder forskningsprosjektet ACTIVATE, som står for «Actively learning experimental design in terrestrial climate science». Prosjektet har som mål å forske på og utvikle intelligente målesystemer til bruk for klimaforskning.
Til å utføre de atmosfæriske målingene brukes droner. Dronene skal estimere utveksling av karbon, vann og energi mellom jordoverflaten og atmosfæren. Målingene kombineres med data fra satellitter og data fra mobile eller faststasjonerte måleinstallasjoner.
– Vi er opptatt av samspillet mellom jordoverflaten og atmosfæren. Mellom disse skjer det en utveksling av viktige klimagasser. Denne utvekslingen er ikke likt fordelt over kloden. Den foregår ofte i adskilte hotspots. Det er disse vi må finne, sier Pirk.
Hotspots er altså områder der utvekslingen av gasser er markant.
Alouette van Hove og Norbert Pirk lærer opp droner til selv å finne ut hvor de bør måle flukser av drivhusgasser fra terrenget.(Foto: Vibeke Lind)
Endrer seg med vær og vind
Med seg i jakten på slike hotspots har forskerne dronelaben til Universitetet i Oslo. Her står en rekke droner klare til å dra ut på oppdrag i klimaforskningens tjeneste. Men først må de få opplæring. Det har stipendiat van Hove sørget for.
– Vi kan ikke bare gå inn i et område og gjøre et sveip med dronen. Det er rett og slett for mye å måle. Dessuten vil værforholdene gjøre at om vi måler ti minutter senere, så vil alt se annerledes ut, sier van Hove.
For å komme fram til de mest presise estimatene for gassfluksene, må forskerne måle på de mest ideelle eller informasjonsrike stedene og tidene.
Annonse
– Vi må optimalisere tiden vi bruker med dronen, sier van Hove.
Hun har utviklet en metode der man bruker belønningsstyrt læring – «reinforcement learning» - for å lære opp dronene til selv å vite hvor de skal lete etter de beste stedene å måle.
Slik kan dronen lære om det å svinge den ene vegen i stedet for den andre vegen var en god beslutning.
– Det kan godt sammenlignes med å trene opp hunder. Vi bruker belønninger til å trene opp dronen til å velge den beste handlingen, sier van Hove.
Dronelaben ved Universitet i Oslo er utstyrt med en rekke ulike dronesystemer.(Foto: Norbert Pirk)
Prøver, feiler og lærer
I praksis skjer det hele inne i et dataprogram der dronenes belønninger ikke er annet enn en bestemt funksjon i programmet. Dronene kjøres i prøve-og-feile-forsøk der de kan bevege seg innenfor et gitt område. I dette området kan dronene foreta seg et gitt antall handlinger. De kan bevege seg fram, tilbake, oppover, nedover og så videre, men de får ikke bevege seg ut av området.
– Så belønnes valg av handlinger som etter en bestemt tid fører til et resultat som er nærmest mulig sannheten, det vil si gassfluksen, sier van Hove.
Gjennom forsøk har van Hove kunnet vise at slike opptrente droner kan finne og måle hotspots av CO2-utslipp mer presist enn om dronen gjør et forhåndsprogrammert søk. Slik er det også selv om dronen i det forhåndsprogrammerte søket er satt til å fly over CO2-kilden.
– Vi har vist at det er mulig å trene opp droner til å estimere en parameter, uten at vi må ha forhåndskunnskap om parameterens sanne verdi, sier van Hove.
Tar avgjørelser i luften
Nå skal de opptrente dronene få prøve seg i praksis. Om ikke lenge tar Pirk og van Hove med seg dronene til Svalbard.
– Nå skal vi prøve ut dronene ute i felten. Da skal de få øve seg på å ta avgjørelser mens de er i luften, sier Pirk.
Annonse
Målet er å kunne sette dronene i arbeid på ulike observatorier i Arktis, hvor det i dag er særlig mangel på observasjonsdata.
– ACTIVATE-prosjektet skal gå over fem år. Jeg tenker at målekampanjene vil bli større og mer komplekse i løpet av prosjektet, sier Pirk. Han ser for seg å ha 12 droner i sving på Svalbard sommeren 2025.
Arbeidet er finansiert av EU gjennom det prestisjetunge ERC starting grant, og med midler fra Science Center ved Universitetet i Oslo.
