Comment cartographier quelque chose qui est à la fois invisible et inodore ? Des chercheurs de l'Université d'Oslo ont entraîné des drones pour trouver les meilleurs endroits où mesurer eux-mêmes les gaz à effet de serre.
"L'estimation de tels flux de gaz n'est pas facile. Nous sommes vraiment à l'avant-garde de ce qui se fait dans ce domaine", déclare le docteur. candidate Alouette van Hove au Département des géosciences de l'UiO.
Imaginez la toundra du Svalbard. Ou les vastes tourbières gelées de Sibérie. Pendant des milliers d'années, le pergélisol a permis de préserver le carbone présent dans les tourbières, mais il se réchauffe désormais. Méthane et CO2 du gaz est libéré. Maintenant, les gaz montent du sol vers l'atmosphère.
"Être capable de cartographier les flux ou les échanges de gaz à effet de serre à la surface de la Terre est nécessaire pour garantir la qualité et calibrer les modèles climatiques", explique van Hove.
Kilomètre après kilomètre de tourbière. Ici, entre le sol tourbeux et l'air du dessus, il y a un échange, un flux de gaz. Ce sont des éléments importants de l'équation climatique mondiale, mais les estimations utilisées par les chercheurs dans les modèles climatiques sont incertaines.
Le fait que les gaz se diluent dès leur sortie dans l’air et soient emportés par le vent et les intempéries ne facilite pas la tâche. Une partie de la solution pourrait consister à mesurer les émissions près du sol, à l'aide de drones.
"Ce que nous pouvons faire, c'est estimer les flux en faisant des observations. De cette façon, nous pouvons ajuster les modèles avec des mesures réelles", explique van Hove.
Imaginez que votre tâche consiste à mesurer ces flux de gaz. Mais la zone que vous observez s’étend sur des centaines de kilomètres carrés. Où sont-elles? Où mesurer ?
"Les gaz sont invisibles et inodores. Ils ne peuvent être détectés qu'avec un analyseur de gaz. Mais si vous avez une superficie de 100 x 100 kilomètres carrés, vous ne pouvez pas enquêter sur chaque mètre", explique le chercheur Norbert Pirk.
Il dirige le projet de recherche ACTIVATE, qui signifie « Activement apprendre la conception expérimentale en science du climat terrestre ». Le projet vise à rechercher et développer des systèmes de mesure intelligents destinés à être utilisés dans la recherche sur le climat.
Des drones sont utilisés pour effectuer les mesures atmosphériques. Ceux-ci serviront à estimer les échanges de carbone, d’eau et d’énergie entre la surface terrestre et l’atmosphère. Les mesures sont combinées avec des données provenant de satellites, ainsi que d'installations de mesure mobiles ou fixes.
"Nous nous préoccupons de l'interaction entre la surface de la Terre et l'atmosphère. Entre eux, il y a un échange de gaz à effet de serre importants. Cet échange n'est pas réparti de manière homogène sur le globe. Il se produit généralement dans des "points chauds" localisés. C'est cela que nous devons trouver", dit Pirk.
Les chercheurs disposent du Drone Lab de l'Université d'Oslo, qui se joignent à la recherche de tels points chauds. Ici, plusieurs drones sont prêts à partir en mission au service de la recherche climatique. Mais ils ont d’abord besoin d’une formation. doctorat le candidat van Hove s'en est assuré.
"Vous ne pouvez pas simplement vous rendre dans une zone et effectuer un balayage avec le drone. Il y a tout simplement trop de choses à mesurer. De plus, les conditions météorologiques feront que si vous mesurez dix minutes plus tard, tout sera différent", explique van Hove.
Pour obtenir l'estimation la plus précise des flux de gaz, ils doivent mesurer aux localités et aux heures les plus informatives.
"Nous devons optimiser le temps que nous utilisons avec le drone", explique van Hove.
Elle a développé une méthode dans laquelle ils utilisent un apprentissage basé sur la récompense – « l'apprentissage par renforcement » – pour entraîner les drones à savoir où chercher les meilleurs endroits pour mesurer.
"Pour entraîner les drones, nous créons un environnement artificiel dans lequel les drones peuvent s'entraîner. Ils reçoivent une récompense à chaque fois qu'ils effectuent un mouvement qui s'avère utile."
De cette façon, le drone peut savoir si tourner dans un sens plutôt que dans l'autre était une bonne décision.
"Cela peut être comparé au dressage de chiens. Nous utilisons des récompenses pour entraîner le drone à choisir la meilleure action", explique van Hove.
En pratique, tout cela se passe dans un programme informatique, où les « récompenses » des drones ne sont rien de plus qu'une fonction spécifique du programme. Les drones sont exécutés dans le cadre d'expériences « d'essais et d'erreurs », dans lesquelles le drone peut se déplacer dans une zone donnée. Dans cette zone, les drones peuvent effectuer un nombre donné d'actions (avancer, reculer, monter, descendre, etc.), mais ils ne sont pas autorisés à sortir de la zone.
"Ainsi, des 'récompenses' sont données pour les choix d'actions qui, après un certain temps, conduisent à un résultat aussi proche que possible de la vérité, c'est-à-dire le flux de gaz", explique van Hove.
Grâce à des expériences, van Hove a pu montrer que de tels drones entraînés peuvent trouver et mesurer de tels points chauds de CO2 émissions plus précisément que si le drone effectuait une recherche préprogrammée. Et ce, même si le drone dans la recherche préprogrammée est configuré pour survoler le CO2 source.
"Nous avons montré qu'il est possible d'entraîner des drones pour estimer un paramètre, sans avoir à connaître au préalable la valeur réelle de ce paramètre", explique van Hove.
Désormais, les drones entraînés seront testés en pratique. Bientôt, Pirk et van Hove emmèneront 12 drones au Svalbard.
"Nous allons maintenant tester les drones sur le terrain. Ensuite, ils pourront s'entraîner à prendre des décisions lorsqu'ils sont dans les airs", explique Pirk.
L'objectif est de pouvoir utiliser les drones dans différents observatoires de l'Arctique, où l'on manque actuellement de données d'observation.
"Le projet ACTIVATE s'étendra sur cinq ans et je pense que les campagnes de mesure deviendront plus vastes et plus complexes au cours du projet", explique Pirk, qui envisage d'avoir 12 drones en opération à Svalbard à l'été 2025.
Fourni par l'Université d'Oslo
