В конце сентября Бьянка Бахман занималась сноркелингом над лугом морской травы у западного побережья острова Флорес, Индонезия, имеющего форму скорпиона. Проплывая над зеленым морским дном, Бахман управляла подводной камерой, подвешенной на паре небольших поплавков.
Стереоскопическая камера захватывает видео высокого разрешения с двух немного разных ракурсов, создавая трехмерную карту лентовидных листьев, растущих со дна моря.
Бахман — менеджер проекта в Tidal, чья команда стремится использовать эти камеры вместе с компьютерным зрением и машинным обучением для лучшего понимания жизни под океанами. На протяжении нескольких лет Tidal использовала ту же систему камер для мониторинга рыбы на аквафермах у побережья Норвегии.
Как теперь сообщает MIT Technology Review, Tidal надеется, что ее система сможет помочь сохранить и восстановить мировые заросли морской травы, ускоряя усилия по использованию океанов для поглощения и хранения большего количества углекислого газа.
Tidal — это проект в рамках подразделения Alphabet X, так называемой «фабрики лунных проектов». Его миссия — улучшить наше понимание подводных экосистем, чтобы информировать и стимулировать усилия по защите океанов перед лицом растущих угроз загрязнения, чрезмерного вылова рыбы, закисления океана и глобального потепления.
«Ее инструменты могут открыть области, которые отчаянно необходимы в мире океана», — заявляет Бахман.
Исследования показывают, что океаны могли бы поглощать значительную долю тех миллиардов тонн углекислого газа, которые необходимо ежегодно удалять из атмосферы для удержания температуры в пределах нормы к середине века. Но для этого потребуются усилия по восстановлению прибрежных экосистем, выращиванию большего количества водорослей, добавлению питательных веществ для стимуляции роста планктона или аналогичные вмешательства.
Tidal решила сосредоточиться в первую очередь на морской траве, потому что это быстрорастущее растение, которое особенно эффективно поглощает углекислый газ из мелководья. Эти прибрежные луга смогут поглощать гораздо больше, если сообщества, компании или некоммерческие организации предпримут шаги по их расширению.
Однако ученые имеют лишь приблизительное представление о том, сколько углерода секвестируют морские травы и какую роль эти растения играют в регулировании климата. Без этих знаний и доступных способов проверки того, что усилия по восстановлению действительно поглощают больше углерода, будет сложно отслеживать прогресс в борьбе с изменением климата и строить надежные рынки углеродных кредитов, которые бы оплачивали такие практики.
Tidal надеется решить эту проблему, разрабатывая модели и алгоритмы, которые преобразуют трехмерные карты морской травы, полученные с помощью камер, в надежные оценки углерода, хранящегося под ними. Если это сработает, автоматизированные версии технологий сбора данных Tidal смогут предоставить недостающий инструмент верификации. Это может помочь запустить и придать достоверность проектам и рынкам морских углеродных кредитов, способствуя восстановлению океанических экосистем и замедлению изменения климата.
Рабочий стол в здании X, где Tidal разрабатывает и тестирует свои подводные системы камер.
Команда предполагает создание автономных версий своих инструментов, возможно, в виде плавающих роботов, оснащенных их камерами, которые смогут удаленно отслеживать состояние побережья и оценивать рост или потерю биомассы.
«Если мы сможем количественно оценить и измерить эти системы, мы сможем направить инвестиции на их защиту и сохранение», — говорит Нил Давэ, генеральный менеджер Tidal.
Тем не менее, некоторые ученые скептически относятся к тому, сможет ли технология Tidal точно оценить меняющиеся уровни углерода в отдаленных уголках мира, среди прочих проблем. Действительно, природа как основа для углеродных кредитов столкнулась с растущей критикой: исследования и отчеты показывают, что такие усилия могут завышать климатическую пользу, создавать экологические риски или вызывать проблемы экологической справедливости.
Давэ признает, что они еще не знают, насколько хорошо это сработает. Но он говорит, что именно поэтому команда Tidal отправилась в Индонезию вместе с группой австралийских ученых — чтобы это выяснить.
X
Google запустила то, что тогда называлось Google X, в начале 2010 года с мандатом на реализацию больших, сложных, даже сумасшедших идей, которые могли бы породить следующую Google.
Это исследовательское подразделение взяло на себя проект по созданию беспилотных автомобилей, ныне известный как Waymo. Оно разработало инструменты машинного обучения Google Brain, которые используются в рекомендациях YouTube, Google Translate и многих других основных продуктах материнской компании. И оно подарило миру гарнитуру дополненной реальности Google Glass (понравилась ли она миру, это другой вопрос). Были даже недолгие увлечения такими вещами, как космические лифты и телепортация.
X с самого начала занималась проектами, связанными с климатом, но ее послужной список в этой области пока неоднозначен.
Они приобрели Makani — проект по сбору энергии ветра с помощью больших парящих змеев, но компания прекратила свою деятельность в 2020 году. Они также занимались проектом по производству безуглеродного топлива из морской воды под названием Foghorn, но отказались от этой инициативы, когда поняли, что будет слишком сложно составить конкуренцию стоимости бензина.
Два официальных «выпускника» по климатической теме, которые все еще работают, — это Malta, спин-офф, использующий расплавленную соль для хранения энергии для сети в виде тепла, и Dandelion Energy, которая использует геотермальную энергию для обогрева и охлаждения домов. Однако оба остаются относительно небольшими и все еще стремятся закрепиться на своих рынках.
Спустя 12 лет X еще не добилась прорывного успеха в области климатических технологий или чистой энергетики. Вопрос в том, улучшат ли это изменение стратегий в X и текущий набор климатических проектов, таких как Tidal, этот послужной список.
Астро Теллер, руководитель X, сообщил MIT Technology Review, что подразделение поначалу «упорно работало над радикальными инновациями». Но с тех пор оно постепенно повышало «шкалы строгости» во многих отношениях, больше концентрируясь на осуществимости идей, которые они преследовали.
Более ранние климатические проекты X, как правило, были проектами с высоким риском и большим количеством аппаратного обеспечения, которые напрямую затрагивали энергетические технологии и климатические выбросы, производя электроэнергию, топливо и хранение энергии новыми способами.
Есть явные различия в климатических проектах, которыми X публично занимается сейчас. Два проекта, помимо Tidal, это Mineral, который использует роботов, оснащенных солнечными панелями, и машинное обучение для улучшения сельскохозяйственных практик, и Tapestry, который разрабатывает способы моделирования, прогнозирования и оптимизации управления электрическими сетями.
С Tidal, Mineral и Tapestry X создает инструменты, чтобы гарантировать, что отрасли смогут лучше реагировать на экологические опасности и что экосистемы смогут выжить в более жарком и суровом мире. Они также активно используют сильные стороны материнской компании, опираясь на опыт Google в области робототехники, а также на ее способность извлекать выводы из огромных объемов данных с помощью искусственного интеллекта.
Подобные усилия могут показаться менее трансформационными, чем, скажем, летающие ветряные турбины — меньше «проект на Луну», больше обеспечивающая технология.
Но хотя Теллер допускает, что их новые идеи, возможно, «изменяют характер того, что вы видите в X сегодня», он возражает против предположения, что проблемы, которыми они занимаются, стали менее сложными, масштабными или важными, чем раньше.
«Я не думаю, что Tidal должна извиняться за какую-либо проблему с масштабом», — говорит он.
«Человечеству нужны океаны, и оно их убивает», — добавляет он. «Мы должны найти способ получить больше пользы от океана для человечества, одновременно восстанавливая океаны, а не продолжая их истощать. А это просто не произойдет, если мы не найдем способ внедрить автоматизацию в океаны».
Лучший источник белка
Tidal, основанная в 2018 году, выросла из неформальных бесед в X о нарастающих угрозах для океанов и нехватке знаний для их решения, рассказывает Давэ.
«Цель была чрезмерно упрощенной: спасти океаны, спасти мир», — говорит он. «Но она основывалась на понимании того, что океаны имеют решающее значение для человечества, но, вероятно, являются наиболее игнорируемым или неправильно используемым ресурсом, которым мы располагаем».
Они решили начать с одного применения: аквакультуры, которая полагается на наземные резервуары, защищенные заливы или открытые океанские садки для выращивания рыбы, моллюсков, водорослей и многого другого. Сегодня эти практики производят чуть больше половины рыбы, потребляемой человеком. Но чем больше они используются, тем больше могут ослабить торговое давление на чрезмерный вылов рыбы, выбросы от рыболовных судов и воздействие траления на окружающую среду.
Tidal полагала, что сможет предоставить инструменты, которые позволят аквафермерам более доступно отслеживать свою рыбу, раньше замечать признаки проблем и оптимизировать свои процессы для обеспечения лучшего здоровья и более быстрого роста при меньших затратах.
Исследователи разработали и протестировали различные прототипы систем подводных камер. Они также начали обучать программное обеспечение компьютерного зрения, которое может идентифицировать объекты и их характеристики на видеоматериалах. Для начала они использовали золотых рыбок в детском бассейне.
Последние пять лет они проверяли свои инструменты в суровых условиях Северного моря в рамках партнерства с норвежской компанией по производству морепродуктов Mowi.
Во время звонка в Zoom Давэ показал черно-белое видео хаоса, который творится во время кормления, когда лосось соревнуется за то, чтобы проглотить пищу, сбрасываемую в садок. Невооруженным глазом трудно извлечь какой-либо смысл из этой сцены. Но программное обеспечение компьютерного зрения помечает каждую рыбу крошечными цветными квадратами, поскольку оно идентифицирует отдельных особей, плывущих в кадре, или фиксирует, как они открывают рты для кормления.
Давэ говорит, что рыбные фермы могут использовать эти данные в режиме реального времени, даже автоматически. Например, они могут прекратить сбрасывать корм в садок, когда рыба перестает питаться.
Камеры и программное обеспечение могут воспринимать и другую важную информацию, в том числе о весе рыбы, достигла ли она половой зрелости и есть ли у нее какие-либо признаки проблем со здоровьем. Они могут обнаружить деформации позвоночника, бактериальные инфекции и наличие паразитов, известных как морские вши, которые часто слишком малы для человеческого глаза.
«С самого начала мы знали, что аквакультура будет для нас своего рода «пробой пера», — говорит Грейс Янг, научный руководитель Tidal. — Мы знали, что это станет ступенькой для работы над другими сложными задачами».
Убедившись, что они создали одно жизнеспособное коммерческое применение, Tidal теперь уделяет внимание сбору информации о естественных океанических экосистемах.
«Сейчас для нас важный момент, — добавляет она, — потому что мы можем увидеть, как инструменты, которые мы создали, могут быть применены и принести пользу в других отраслях, связанных с океаном».
Восстановление наших побережий
Морские травы образуют густые луга, которые тянутся на тысячи миль вдоль мелководных побережий, занимая до 0,2% мирового морского дна. Они обеспечивают питательными веществами и средой обитания для морских популяций, фильтруют загрязнения и защищают побережья.
Эти растения фотосинтезируют, производя необходимое им питание из солнечного света, воды и углекислого газа, растворенного в океанических водах. Они накапливают углерод в своей биомассе и доставляют его в донные отложения. Они также помогают захватывать и захоранивать углерод из другой органической материи, которая проплывает мимо.
В мировом масштабе заросли морской травы могут накапливать до 8,5 миллиарда тонн органического углерода в донных отложениях и, в гораздо меньшей степени, в своей биомассе. В лучшем случае эти луга ежегодно поглощают и запасают около 110 миллионов тонн.
Но оценки общего объема и темпов поглощения углерода морскими травами сильно варьируются. Ключевая причина в том, что нет дешевого и простого способа картирования обширных береговых линий планеты. В прибрежных водах США обследовано только около 60% зарослей морской травы, причем «с разной степенью точности из-за трудностей дистанционного зондирования подводной среды обитания», согласно исследованию Национальных академий.
Независимо от их полного объема, мы знаем, что они сокращаются. Развитие, чрезмерный вылов рыбы и загрязнение уничтожают прибрежные экосистемы, к которым также относятся поглощающие углерод среды обитания, такие как мангровые леса и соляные болота. Осушение и разработка этих неглубоких биологических сообществ ежегодно высвобождают сотни миллионов тонн углекислого газа. В то же время само изменение климата делает океанические воды теплее, кислее и глубже, оказывая большее давление на многие виды.
Страны могли бы помочь остановить или обратить вспять эти тенденции, возвращая застроенные береговые линии к естественному виду, активно управляя и восстанавливая водно-болотные угодья и заросли морской травы или высаживая их в новых местах, где они могут процветать по мере повышения уровня моря.
Однако такая работа будет стоить очень дорого. Вопрос в том, кто будет платить за это, особенно если это произойдет в ущерб заманчивому прибрежному развитию.
Основная возможность заключается в том, что компании или правительства могут создать рыночные стимулы для поддержки сохранения и восстановления, присуждая кредиты за дополнительный углерод, который поглощают и запасают морские травы, мангровые заросли и соляные болота. По некоторым оценкам, в ближайшие десятилетия на добровольных рынках будет продано на десятки миллиардов долларов углеродных кредитов, по некоторым оценкам.
Реестр углеродного рынка Verra уже разработал методологию для расчета углеродных кредитов, заработанных в результате такой работы. По крайней мере, один проект по морской траве подал заявку на получение кредитов: давнее усилие отделения Природоохранного фонда в Вирджинии по высадке морской травы вокруг Вирджинских барьерных островов.
Но некоторые морские ученые и эксперты по углеродным рынкам утверждают, что необходимы более строгие методы, чтобы гарантировать, что эти усилия удаляют столько же углерода, сколько они заявляют. В противном случае мы рискуем позволить людям или предприятиям покупать и продавать углеродные кредиты, не оказывая реальной помощи климату.
Погружение
Tidal начала изучать возможность использования своих инструментов для морской травы в конце прошлого года, поскольку растущее число исследований подчеркивало необходимость удаления углекислого газа и подчеркивало потенциальную роль подходов, основанных на океане.
«Мы начали углубляться и читать много исследований», — говорит Давэ. «И поняли: «Ух ты, у нас есть технология, которую мы разработали, и она может быть здесь применима»».
В конечном итоге команда провела серию бесед с исследователями из CSIRO (Австралийская организация по научных и промышленных исследованиям), правительственного научного агентства, которое давно использует дроны, спутники, системы акустического позиционирования и другое оборудование для обследования коралловых рифов, мангровых лесов и зарослей морской травы в Индо-Тихоокеанском регионе.
Морская трава особенно трудно картируется в больших масштабах, потому что на спутниковых снимках ее трудно отличить от других темных пятен на мелководье, — говорит Энди Стивен, морской биолог, курирующий исследования прибрежных зон в CSIRO.
Исследователи из CSIRO извлекают и изучают морскую траву и осадочные породы из исследовательских участков.
«Миру необходимо перейти к возможности картирования, а затем измерения изменений на гораздо более частой основе», — говорит Стивен. «Я вижу, что технология Tidal станет частью арсенала методов, которые помогут нам быстро обследовать, обрабатывать и предоставлять информацию лицам, принимающим решения, в необходимых временных рамках. Она решает действительно фундаментальную проблему».
CSIRO согласилась помочь Tidal проверить, насколько хорошо работает ее система. Этим летом они сотрудничали в ходе предварительных испытаний у побережья Фиджи, а затем провели эксперимент в сентябре в Индонезии. Эта страна с ее тысячами островов может похвастаться одними из крупнейших и наиболее разнообразных в мире зарослей морской травы.
Для первого мероприятия Tidal решила скомбинировать свое программное обеспечение с готовым автономным подводным аппаратом, оснащенным базовой камерой. Надежда была в том, что если исследователи смогут сканировать луга со стандартным оборудованием, их общий подход будет более широко доступен.
Это не сработало. Морская трава была выше, а приливы были ниже, чем ожидалось. Винт и руль быстро засорились водорослями, заставляя команду останавливаться каждые несколько минут, — вспоминает Бахман.
После мозгового штурма команда Tidal решила взять свою собственную систему камер, перевернуть ее лицевой стороной вниз и поместить на поплавок, который можно было бы буксировать за лодкой. Так называемый «Hammersled» (буксируемый сани) оснащен плавниками для удержания прямолинейного движения и набором веревок и зажимов, которые позволяют исследователям опускать камеру глубже в воду.
Исследователи Tidal тестируют самодельный поплавок для системы камер в бассейне посреди кампуса Alphabet в Саннивейле, Калифорния, протягивая его над участками пластиковых морских трав.
Система показала достаточную работоспособность во время нескольких тестов в большом бассейне в кампусе Alphabet в Саннивейле, Калифорния, где сотрудники команды тянули ее вручную над участками пластиковой морской травы на дне.
Главный тест, однако, заключается в том, сможет ли Tidal преобразовать свои карты в точную оценку углерода, содержащегося и захороненного морской травой на морском дне.
«Мы справились»
После того как Стивен и его коллеги прибыли в Лабуан-Баджо, на западную оконечность Флореса, они арендовали 14-каютный дайв-бот Sea Safari VII и начали плавать по островам. С палубы они запускали разведывательные дроны для поиска перспективных зарослей морской травы для изучения, отдавая приоритет местам с большим количеством различных видов, чтобы помочь обучить модели и алгоритмы Tidal для учета широкой изменчивости, встречающейся в природе.
Как только исследователи CSIRO выбрали, измерили, пометили, сфотографировали и сняли на видео свои 100-метровые трансекты, команда Tidal прошла свой этап.
Они использовали небольшую индонезийскую рыбацкую лодку, чтобы буксировать «Hammersled». Бахман, инженер-программист Гектор Йи и другие сотрудники по очереди прыгали в воду с маской и ластами, чтобы удерживать поплавок и следить за тем, чтобы камера была направлена прямо, пересекая тестовую зону по диагонали.
После завершения процесса исследователи CSIRO использовали лопаты, буры для торфа и другие инструменты, чтобы выкопать морскую траву и глубокие отложения из одно-метровых квадратных пробных участков.
На главном острове австралийские ученые использовали импровизированные печи, в том числе сделанные из фенов, чтобы высушить растительный материал и донные отложения. Затем они измельчили их и поместили в сотни пластиковых пакетов, тщательно помеченных с указанием разных мест и глубин.
В ближайшие месяцы они проанализируют содержание углерода в каждой партии в своих лабораториях в Аделаиде, определив общее количество в каждом участке.
«Если наш алгоритм взглянет на данные, которые мы собрали до того, как они взяли пробы керна, и придет к тому же ответу, значит, мы справились», — говорит Терри Смит, инженер по решениям в Tidal.
Открытые вопросы
Однако не все убеждены, что морская трава является особенно многообещающим путем для удаления углерода или что ее климатические преимущества можно будет точно оценить.
Среди множества подходов к удалению углерода, которые Национальные академии изучили в своих исследованиях, те, что сосредоточены на прибрежных экосистемах, занимают нижние строчки по потенциалу масштабирования. Это в основном потому, что эти экосистемы могут существовать только в узких полосах вдоль береговых линий, и существует значительная конкуренция с деятельностью человека.
«Мы должны сделать все возможное, чтобы сохранить морскую траву», — говорит Исаак Сантос, профессор морской биогеохимии Гётеборгского университета в Швеции, из-за ценной роли, которую эти растения играют в защите побережья, морского биоразнообразия и многого другого.
«Но по главному вопросу — спасут ли они нас от изменения климата? — ответ прост: нет», — говорит он. «У них недостаточно площади, чтобы выделить достаточно углерода, чтобы оказать большое влияние».
Точное определение чистого воздействия на климат от восстановления морской травы также проблематично, как подчеркивают исследования.
Секвестрация углерода сильно варьируется в этих прибрежных лугах, в зависимости от местоположения, сезона, видового состава и того, сколько поглощается рыбой и другими морскими обитателями. Углерод в донных отложениях также может просачиваться в окружающие воды, где часть его растворяется и фактически остается в океане тысячелетиями, а часть может вернуться в атмосферу. Кроме того, прибрежные экосистемы производят метан и закись азота — мощные парниковые газы, которые необходимо учитывать при любой оценке общего воздействия на климат.
Наконец, подавляющее, подавляющее большинство углерода в зарослях морской травы захоронено в донных отложениях, а не в растительном материале, который намерена измерять Tidal.
«И мы также знаем, что корреляция между биомассой и углеродом в осадках не является прямолинейной», — написал Сантос по электронной почте. «Следовательно, любой подход, основанный только на биомассе, потребует всевозможных проверок», чтобы убедиться, что он действительно обеспечивает надежную оценку накопленного углерода.
В эссе в The Conversation в конце прошлого месяца освещалась еще одна проблема: экологическая справедливость. Авторы, Соня Клински из Университета штата Аризона и Терр Саттерфилд из Университета Британской Колумбии, подчеркнули, что местные сообщества, на которые больше всего влияют такие проекты, должны иметь значительное право голоса. Некоторые прибрежные города могут не захотеть превращать свой активный порт обратно, например, в соляное болото.
«Большая часть населения мира живет у океана», — пишут они, и некоторые вмешательства «могут нарушить места, которые поддерживают рабочие места и сообщества» и обеспечивают значительное количество пищи.
Раскрывая тайны
Решение научных вопросов потребует лучшего понимания экосистем побережья. Стивен из CSIRO надеется, что технология Tidal предоставит более простые способы проведения необходимых исследований. «Это, безусловно, вызов», — говорит он. «Но нужно с чего-то начинать».
Что касается проблем экологической справедливости, Tidal подчеркивает, что эти природные подходы к удалению углерода потенциально приносят множественную пользу природным экосистемам и местным сообществам. Например, они могут помочь поддерживать популяции рыбных запасов. Tidal также работает с CSIRO над обучением местных общин на Фиджи и в Индонезии, включая студентов университетов, чтобы помочь им напрямую участвовать в углеродных рынках.
«В конечном счете, наше видение состоит в том, чтобы предоставить этим сообществам инструменты для управления, защиты и восстановления этих местных систем на местном уровне», — написал Давэ в электронном письме.
Итак, что дальше для Tidal?
Австралийской команде потребуется еще несколько месяцев, чтобы завершить анализ морской травы и донных отложений. Что бы они ни обнаружили, команды планируют продолжать проводить полевые эксперименты для уточнения моделей и алгоритмов и обеспечения точной оценки углерода для различных типов морской травы в разных регионах и условиях. Например, Tidal может рассмотреть возможность партнерства с другими исследовательскими группами, занимающимися Багамами — еще одним крупным регионом морской травы.
Если в конечном итоге это сработает хорошо, по мнению Tidal, их набор инструментов может также поддержать другие подходы к удалению углерода на основе океана, включая выращивание большего количества водорослей и восстановление мангровых лесов.
Давэ говорит, что может представить различные потенциальные бизнес-модели, включая предоставление услуг по измерению, отчетности и верификации углерода реестрам компенсаций или организациям, осуществляющим восстановительные работы. Они также могут создавать автономные роботизированные системы, которые высаживают морскую траву практически без участия человека.
Даже если системы не смогут обеспечить достаточно надежную оценку углерода, Tidal считает, что их усилия все равно будут способствовать научным исследованиям по пониманию важнейших океанических экосистем и поддержат международные усилия по их защите. Это может включать мониторинг состояния коралловых рифов, которым угрожает потепление вод, — говорит Давэ.
Это может не звучать как «проект на Луну» в том смысле, в котором X изначально задумывала эту концепцию. Это, безусловно, не космический лифт.
Но, создавая инструменты, которые различные организации могли бы использовать различными способами для раскрытия секретов критически важных и хрупких экосистем Земли, Tidal может продемонстрировать новый способ решения действительно сложных проблем.
