SentinAir: smog z kosmicznej perspektywy

Zanieczyszczenie powietrza: globalny problem 

Zanieczyszczenie powietrza jest jednym z największych wyzwań współczesnego świata, wpływając negatywnie na zdrowie ludzi i środowisko. Smog, szczególnie w miastach, stał się widzialnym symbolem tego problemu. Choć naziemne stacje pomiarowe i sieci czujników pozwalają monitorować poziomy zanieczyszczeń (np. PM2.5 i PM10), nie wszędzie mamy do nich dostęp, szczególnie w mniej zurbanizowanych obszarach. Czy w takiej sytuacji można sięgnąć po inne metody? Okazuje się, że tak – odpowiedź na to pytanie postanowili znaleźć członkowie zespołu Czyste Powietrze, jednej z czterech grup biorących udział w projekcie edukacyjnym Kampus Kreatywny Direction Earth/Space. W ramach programu zespół poszukiwał innowacyjnych sposobów na wykorzystanie technologii kosmicznych oraz GIS do analizy zanieczyszczenia powietrza. 

Direction Earth/Space: kreatywność napędzana technologią 

Direction Earth/Space to inicjatywa Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), która w 2023 roku połączyła edukację z innowacją. Projekt zrealizowano w partnerstwie z Europejską Stolicą Młodzieży – Lublin 2023 i Miastem Lublin, a za jego realizację odpowiadało studio kreatywne Science Now. ESA odgrywa kluczową rolę nie tylko w eksploracji kosmosu, ale także w edukacji i popularyzacji technologii kosmicznych. Instrumenty pomiarowe umieszczone w kosmosie prowadzą obserwacje w dwóch kierunkach: w kierunku Ziemi lub w kierunku głębokiego kosmosu. Nazwa programu edukacyjnego Direction Earth/Space (DES) wprost nawiązuje do tych dwóch, równoważnych perspektyw (Fot. 1). Z inicjatywy DES odbyło się łącznie 45 wydarzeń przybliżających technologie kosmiczne społeczeństwu. 

Obraz zawierający noc, ludzie Opis wygenerowany automatycznie
Rys. 1. Inauguracja programu DES w Lublinie przez Sławosza Uznańskiego. 

Jednym z kluczowych wydarzeń był Kampus Kreatywny w Lublinie, organizowany we współpracy z Europejską Stolicą Młodzieży i przeprowadzony w metodologii SPLOT Institute. Projekt zgromadził 26 uczestników z różnych dziedzin – od nauk ścisłych po sztukę – którzy w interdyscyplinarnych zespołach szukali rozwiązań dla wyzwań społecznych i środowiskowych. W ramach programu zostały zrealizowane projekty w czterech ścieżkach tematycznych: Czyste Powietrze, Miejski Stres, Z Pola na Widelec i Wyzwanie Klimatyczne XR. 

Zespół Czyste Powietrze skupił się na prototypowaniu rozwiązań związanych z zanieczyszczeniem powietrza. Ich zadanie brzmiało ambitnie: Czy smog widać z kosmosu? W ramach programu poszukiwali innowacyjnych sposobów na wykorzystanie technologii kosmicznych oraz GIS do analizy zanieczyszczenia powietrza. W skład zespołu weszli (fot. 2): Ewa Bubula, Michał Hęćka, Klara Grochowska, Alicja Kryczka, Florentyna Sołtysiak, Anastasiia Popova i Maciej Szulczewski oraz ekspert ESA – Massimiliano Ferrante (ESA Centre for Earth Observation). W zakresie przetwarzania danych EO, zespół wspierały również dr Ewa Grabska-Szwagrzyk oraz dr Adriana Marcinkowska-Ochtyra, mentorem grupy był dr Szymon Chmielewski.  

Obraz zawierający ubrania, osoba, na wolnym powietrzu, uśmiech Opis wygenerowany automatycznie
Rys. 2. Zespół SentinAIR podczas warsztatów stacjonarnych w Lublinie. 

Satelity i smog: jak to działa? 

Jednym z najważniejszych narzędzi projektu SentinAir był satelita ESA Sentinel-5P, zbierający dane o zawieszonych aerozolach (Aerosol Index). Dane te są kluczowe dla monitorowania jakości powietrza, szczególnie tam, gdzie brakuje czujników naziemnych. Choć satelitarne pomiary pyłów (Aerosol Optical Depth – AOD) nie zawsze w pełni korelują z naziemnymi odczytami (korelacja wynosi od 0.5 do 0.9), pozwalają one na skuteczne identyfikowanie ognisk zanieczyszczeń. Zespół SentinAir wyznaczył trzy kluczowe obszary, na których oparty miał być prototyp: dane z obserwacji Ziemi (EO), zanieczyszczenie powietrza oraz nauka obywatelska (Citizen Science, CS). Możliwość detekcji zjawiska smogu z kosmosu i korelacja z odczytami naziemnymi stały się tematem przewodnim tworzonego prototypu. 

Jednym z kluczowych wyzwań było włączenie do procesu nauki obywatelskiej, tak aby każdy mógł wziąć udział w zbieraniu danych i analizie smogu. Aby uniknąć powielania już istniejących projektów w formule nauki obywatelskiej (np. smogomierz) oraz aby wysoki próg wejścia (skomplikowana tematyka i technologia wykorzystywana w projekcie), nie zniechęcała potencjalnych użytkowników, Zespół zdecydował, iż stworzy prototyp edukacyjny w formie scenariusza lekcji (rys.3.), w którym użytkownik będzie zapisywał i udostępniał wyniki analiz danych EO za pomocą aplikacji mapowej WebGIS. Zadbano, aby treści scenariusza lekcji były zbieżne z treściami programowymi podstawy programowej lekcji geografii klas 7-8 szkoły podstawowej i 1 liceum.  

Rys. 3. “Czy smog można wykryć z kosmosu?” – prototyp edukacyjny w formie scenariusza lekcji. 

Edukacja przez GIS: trzy warianty ścieżek edukacyjnych 

Zespół SentinAir opracował trzy ścieżki edukacyjne: Młody Badacz, Młody Odkrywca i Młody Naukowiec, różniące się stopniem zaawansowania i sposobem angażowania uczniów w naukę. 

  • Młody Badacz: Uczniowie porównują dane o smogu z różnych źródeł internetowych, zbierają je i wprowadzają do kwestionariusza Survey123, ucząc się o monitorowaniu jakości powietrza. 

  • Młody Odkrywca: Uczniowie analizują dane o zanieczyszczeniach przy użyciu Google Earth Engine, oswajając się z językiem programowania oraz pozyskanymi danymi dotyczącymi zanieczyszczeń. 

  • Młody Naukowiec: Najbardziej zaawansowana ścieżka, w której uczniowie używają sensora SentinAir do pomiarów zanieczyszczeń, korelują je z danymi teledetekcyjnymi i zapisują wyniki w Survey123. 

Czujnik SentinAir: mały, ale skuteczny 

Czujnik SentinAir to kompaktowe urządzenie łączące mikrokontroler ESP32, moduł GPS, czujnik 3w1 (mierzący temperaturę, wilgotność i ciśnienie) oraz główny czujnik do pomiaru cząsteczek stałych w powietrzu. Dane zapisywane są w formacie GeoJSON, co umożliwia ich łatwą integrację z aplikacjami GIS. Urządzenie umożliwia 50 godzin pracy w terenie, wykonując pomiary co dwie minuty. Wyniki są analizowane za pomocą przygotowanego algorytmu Python, co pozwala na szybkie raportowanie. 

Rys. 4. Zestaw pomiarowy SentinAIR. 

ArcGIS Online jako platforma Citizen Science  

Jednym z kluczowych elementów projektu była platforma ArcGIS Online umożliwiająca jednolite zbieranie obserwacji wykonanych w ramach różnych ścieżek scenariusza lekcji SentinAIR. Dzięki przygotowanej aplikacji ArcGIS Survey123 (rys. 5) dane z obserwacji były zbierane i zapisywane w chmurze, natomiast za wizualizację wyników odpowiedzialny był moduł ArcGIS Dashboards (rys. 6). Dzięki temu uczniowie stali się częścią większej inicjatywy naukowej, która nie tylko pozwalała na naukę o smogu, ale również angażowała ich w rozwiązywanie globalnych problemów związanych ze środowiskiem. 

Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, oprogramowanie, Strona internetowa Opis wygenerowany automatycznie
Rys. 5. Przykładowy formularz do zbierania danych za pomocą ArcGIS Survey123.  

Obraz zawierający mapa, tekst, zrzut ekranu Opis wygenerowany automatycznie
Rys. 6. Zrzut ekranu z ArcGIS Dashboard. Wizualizacja przykładowych danych. 

Projekt zespołu SentinAIR stanowi przykład zastosowania GIS w edukacji pozaformalnej dotyczącej obserwacji Ziemi i jakości powietrza. Dzięki współpracy interdyscyplinarnego zespołu, złożonego z młodych naukowców, edukatorów i pasjonatów technologii kosmicznych, udało się stworzyć narzędzie, które nie tylko pomaga w monitorowaniu smogu, ale także również angażuje młodych ludzi do samodzielnego badania wybranych aspektów zanieczyszczenia powietrza. 

SentinAir: projekt otwarty na przyszłość 

Projekt SentinAir, jako prototyp, zakończył się wraz z Kampusem Kreatywnym, ale jego twórcy chcą kontynuować działania. Stworzone scenariusze lekcji są gotowe do wdrożenia w szkołach, jednak brakuje instytucji, która formalnie byłaby zainteresowana hostowaniem sensora. Projekt wciąż pozostaje otwarty na potencjalną współpracę. Osoby i instytucje zainteresowane współpracą zapraszamy do kontaktu z dr. Szymonem Chmielewskim, mentorem projektu.  

Dodatkowe informacje o projekcie SentinAIR można uzyskać po adresem: https://www.behance.net/gallery/183917815/SentinAIR-EO-solution-towards-Clean-Air. 

Więcej informacji na temat Kampusu Kreatywnego można znaleźć pod adresem:  
https://www.behance.net/gallery/190117529/Direction-EarthSpace-Creative-Campus.” 

Kampus Kreatywny odbywał się w ramach Direction Earth/Space – inicjatywy European Space Agency (ESA) organizowanej w partnerstwie z Europejską Stolicą Młodzieży – Lublin 2023 i Miastem Lublin. Za realizację odpowiadało studio Science Now. 

Patronat honorowy: Prezydent Miasta Lublin Miasto Lublin, Ministerstwo Rozwoju i Technologii, Ministerstwo Edukacji i Nauki. Partnerzy inicjatywy: Europejska Stolica Młodzieży Lublin 2023, Miasto Lublin, Lublin przedsiębiorczy i kreatywny, European Youth Forum, POLSA Polska Agencja Kosmiczna, CloudFerro S.A., ICEYE, ESA BIC Poland, SKENDE, Lubelska Wyżyna IT, Fundacja Empiria i Wiedza, SpaceShip, New Space Foundation, ACKiM UMCS Chatka Żaka, Centrum Kultury w Lublinie, Lubelski Festiwal Nauki, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Politechnika Lubelska, Katolicki Uniwersytet Lubelski, Uniwersytet Medyczny w Lublinie, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego.