DESAFÍO

¡Descubre el papel de los gases de efecto invernadero en tu vecindario!

Las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre (antropogénicas) y los sistemas naturales que producen y absorben gases de efecto invernadero (fuentes y sumideros) interactúan de una manera compleja para contribuir al cambio climático global. En un momento en que los responsables de las políticas y los ciudadanos se apresuran a combatir el cambio climático, comprender esta interacción es más importante que nunca. Tu desafío es utilizar una combinación de conjuntos de datos satelitales y basados ​​en modelos para mapear las emisiones de gases de efecto invernadero tanto causadas por el hombre como naturales para permitir una mejor comprensión de cómo estas emisiones contribuyen a un mundo más cálido.

Contexto

Las emisiones humanas de gases de efecto invernadero (GEI), en particular el dióxido de carbono (CO2 ) y el metano (CH4 ) , son el principal impulsor del cambio climático. Juntos, estos dos gases han aumentado la capacidad de la atmósfera para atrapar el calor en un 80% en relación con la época preindustrial. Debido al aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero, los últimos 10 años han sido los más cálidos registrados, lo que ha provocado cambios en el clima extremo, el aumento del nivel del mar y mayores amenazas a la seguridad alimentaria y del agua en muchas regiones. El Centro de Gases de Efecto Invernadero de Estados Unidos (US Greenhouse Gas Center , US GHG Center), un esfuerzo interinstitucional iniciado por la Casa Blanca en 2023, tiene como objetivo hacer que los datos sobre el cambio climático estén disponibles y sean accesibles para todos. El centro actualmente se centra en tres temas principales.

Tema 1: Emisiones de origen humano

• Dióxido de carbono: El dióxido de carbono (CO2 ) es un importante GEI que proviene de la extracción y quema de combustibles fósiles (como carbón, petróleo y gas natural), de incendios forestales y de procesos naturales como erupciones volcánicas. Desde el inicio de la era industrial en el siglo XVIII, las actividades humanas han aumentado el CO2 atmosférico en un 50%, lo que significa que la cantidad de CO2 es ahora el 150% de su valor en 1750. Este aumento inducido por el hombre es mayor que el aumento natural observado al final de la última edad de hielo, hace 20.000 años.
• Metano: El metano ( CH4 ) , un potente gas de efecto invernadero, es responsable de aproximadamente un tercio del calentamiento global que resulta de las actividades humanas. El metano también atrapa más calor que el dióxido de carbono y tiene una vida relativamente más corta en nuestra atmósfera, lo que hace que la detección y limitación de las emisiones de metano sea una de las mejores oportunidades para reducir el cambio climático. La localización y el mapeo de las fuentes de emisiones de metano en los Estados Unidos pueden brindar información sobre las tendencias recientes de las emisiones y mejorar las estimaciones nacionales. Los mapas detallados también permiten realizar comparaciones más directas de las emisiones de metano de los inventarios y las calculadas a partir de observaciones atmosféricas, lo que ayuda a mejorar la información utilizada para hacer un seguimiento del progreso hacia nuestros objetivos climáticos colectivos.
• Hay más información disponible en el sitio web del Centro de GEI de EE. UU.

Tema 2: Fuentes y sumideros naturales de GEI

• Absorción de emisiones por los sistemas naturales: el aumento del CO2 atmosférico representa un equilibrio entre las emisiones de combustibles fósiles y los sumideros de carbono terrestres y oceánicos, que absorben aproximadamente la mitad de las emisiones humanas cada año. Sin esta valiosa ayuda del mundo natural, el CO2 se acumularía en la atmósfera mucho más rápidamente, acelerando los riesgos que plantea el cambio climático. Sin embargo, los científicos no están seguros de cuánto tiempo se mantendrá este “descuento” del 50% en las emisiones de CO2, ya que los ecosistemas están amenazados por incendios forestales, sequías, inundaciones y otros peligros relacionados con el clima.
• Emisiones de GEI de sistemas naturales: aunque el CH4 se emite a partir de diversas actividades humanas (producción y uso de petróleo y gas natural, agricultura, desechos), aproximadamente el 30% de las emisiones globales provienen de fuentes naturales. Las emisiones de fuentes microbianas como los humedales pueden aumentar a medida que aumentan las temperaturas globales y la salud de muchas zonas de humedales costeros se ve amenazada por el aumento del nivel del mar.
• Desafío político y científico: La forma de abordar el cambio climático depende de la reducción de las emisiones causadas por el hombre y de la preservación o incluso la mejora de la capacidad de los sumideros naturales de carbono para eliminar el CO2 de la atmósfera. Para que los responsables de las políticas puedan establecer objetivos de reducción de emisiones que limiten el calentamiento y gestionar los ecosistemas críticos que han contribuido a frenar el cambio climático hasta la fecha, se necesita urgentemente información de alta calidad y detallada espacialmente sobre la ubicación y la vulnerabilidad de las fuentes y sumideros naturales en todo el mundo.
• Hay más información disponible en el sitio web del Centro de GEI de EE. UU.

Tema 3: Grandes eventos de emisiones

• Emisiones de metano: El metano es un gas inflamable invisible al ojo humano. El gas natural tiene un contenido de metano de alrededor del 95 % en los Estados Unidos. Debido a que se utiliza ampliamente para calefacción y cocina, existen sistemas de distribución de gas natural en todas nuestras ciudades y pueblos. Si bien la mayoría de las emisiones de metano provienen del sector de los desechos (vertederos, tratamiento de aguas residuales) y la agricultura (ganadería y cultivo de arroz), también se libera metano durante la minería de carbón y la producción, el transporte y el procesamiento de petróleo y gas natural.
• Fugas de metano: las actividades de prevención de emisiones de metano, como la detección y reparación de fugas, permiten mitigar las emisiones. La quema de metano mediante quema (una técnica que se utiliza a menudo durante el proceso de extracción y refinación de petróleo) puede ayudar a eliminar las emisiones de metano, pero crea CO₂, que también es un gas de efecto invernadero, pero que contribuye menos al cambio climático que el metano. Cada vez más, las entidades industriales, como los vertederos y las organizaciones de gestión de aguas residuales, capturan el metano que producen y lo queman para generar electricidad o para evitar que entre en la atmósfera. Esta práctica también puede reducir los gases tóxicos como el benceno que suelen producirse junto con el metano.
• Hay más información disponible en el sitio web del Centro de GEI de EE. UU.

Objetivos

Tu desafío es utilizar una combinación de datos satelitales y basados ​​en modelos para mapear las emisiones de gases de efecto invernadero tanto de origen humano como natural, a fin de permitir una mejor comprensión de cómo estas emisiones contribuyen a un mundo más cálido. Mediante el uso de combinaciones innovadoras de datos satelitales y basados ​​en modelos, Tu proyecto podría permitir nuevos conocimientos y enfoques que ayuden a los usuarios (incluidas las comunidades y los tomadores de decisiones) a comprender mejor las tres áreas de enfoque descritas anteriormente (emisiones de GEI de origen humano, fuentes y sumideros naturales de emisiones de GEI y grandes eventos de emisiones de GEI). Existen numerosas formas de abordar este desafío (consulta las Consideraciones potenciales a continuación para ver algunos ejemplos de enfoques que podría adoptar). ¿Tus mapas reflejarán datos a escala de barrio o a escala mundial? Piensa en cómo podría ayudar a proporcionar información de alta calidad sobre GEI a los encargados de la toma de decisiones para ayudarlos en su lucha contra el cambio climático. Puedes utilizar los conjuntos de datos proporcionados en el portal de datos del Centro de GEI y, si lo deseas, puedes combinar esos datos con información satelital adicional para proporcionar datos de mayor resolución espacial necesarios para ciertas aplicaciones políticas y científicas.

Sugerencias a tener en cuenta

Puedes (aunque no estás obligado a) considerar lo siguiente:

Consideraciones generales:

• El formato de los mapas del portal de datos del GHG Center (por ejemplo, geotiffs optimizados para la nube con metadatos que describen las características básicas de los datos, incluidas las unidades, la frecuencia temporal y la resolución espacial) es muy útil. Considera utilizar un formato similar para sus mapas.
• No olvides utilizar métodos rastreables que estén bien documentados y datos de código abierto para desarrollar su solución.
• Piensa en cómo puedes garantizar que la masa total de emisiones se conserve con precisión a escala regional y mundial. Por ejemplo, si una estimación de 50 km de emisiones de humedales se reasigna a píxeles de 500 m utilizando datos satelitales, las emisiones de mayor resolución deben sumar los totales originales.
• Asegúrate de que los enfoques de reducción de escala produzcan resultados razonables y de sentido común en áreas complejas (por ejemplo, dentro y alrededor de las ciudades y cerca de las costas).

Consideraciones para el tema 1: emisiones de origen humano. Entre los posibles enfoques y consideraciones para la categoría de emisiones de origen humano se incluyen los siguientes:

• Agregar elementos de interfaz gráfica de usuario (GUI) (por ejemplo, íconos, menús) a las herramientas de Python para que los usuarios puedan ejecutarlas sin saber Python.
• Desarrollar una herramienta donde los usuarios ingresen un país y obtengan las emisiones totales del país.
• Incluye actualizaciones automáticas de columnas de humo detectadas en una región específica. El sistema podría enviar alertas a los usuarios con información si se detecta una columna de humo en la región.
• Generar una herramienta de mapeo que permita visualizar imágenes de columnas en un entorno geoespacial con información de latitud y longitud que podría permitir a los usuarios encontrar la fuente de una columna en tiempo real.
• Incorporar otras herramientas de mapeo que puedan extraer datos del Centro de GEI de EE. UU. y representarlos gráficamente. Otras características a considerar incluyen permitir la superposición y combinación de conjuntos de datos.

Consideraciones para el tema 2: Fuentes y sumideros naturales. Los posibles enfoques y consideraciones para la categoría de fuentes y sumideros naturales incluyen:

• Proporcionar un intercambio tierra-atmósfera de alta calidad para las emisiones de CO2 o CH4 de los humedales a escalas espaciales de gestión de la tierra (menores de 1 km) utilizando datos de fuente abierta y principios científicos.
• Dado que las emisiones de GEI no se pueden medir directamente, salvo en escalas muy locales, las estimaciones de fuentes y sumideros que se proporcionan en el portal de datos se calculan mediante modelos numéricos avanzados, que se ejecutan en escalas espaciales mucho más burdas. Los enfoques de “reducción de escala” combinan estimaciones de modelos de resolución más burda con datos satelitales de resolución más fina para variables relacionadas (por ejemplo, verdor de la vegetación, tipo de superficie terrestre, área inundada) para crear los conjuntos de datos de mayor resolución que muchos usuarios necesitan. Estos productos a menudo aprovechan la inteligencia artificial o el aprendizaje automático (IA/ML), aunque estos enfoques no son obligatorios.
• Puedes desarrollar una solución que utilice datos globales o analice una región de interés más pequeña (por ejemplo, su país de origen, su estado o su lugar de interés favorito).

Consideraciones para el tema 3: grandes eventos de emisiones. Los posibles enfoques y consideraciones para la categoría de grandes eventos de emisiones incluyen:

• Proporcionar actualizaciones automáticas de los datos de la columna de metano de la Investigación de fuentes de polvo mineral de la superficie terrestre (EMIT) de la NASA en función de una ubicación de interés especificada por el usuario, como un estado, un país o un cuadro delimitador específico. Los usuarios podrían recibir alertas sobre nuevas observaciones de columnas de metano para la ubicación de interés, incluida la columna visualizada y la fecha y hora de la observación.
• Incorporación de generación automatizada de animaciones de columnas que muestran su evolución a lo largo del tiempo (es decir, rotaciones de columnas, magnitudes cambiantes, intermitencia versus persistencia).

Definiciones (adaptadas de la NASA y el IPCC)

• Gases de efecto invernadero (GEI): gases en la atmósfera que atrapan el calor del sol.
• Combustible fósil: Cualquier depósito de hidrocarburos (sustancia química que contiene únicamente carbono e hidrógeno) que pueda quemarse para generar calor o energía, como el petróleo, el carbón y el gas natural.
• Dióxido de carbono (CO 2 ): El CO 2 es un gas natural que también es un subproducto de la quema de combustibles fósiles (como el petróleo, el gas y el carbón), de la quema de biomasa, de los cambios en el uso de la tierra (LUC) y de los procesos industriales (por ejemplo, la producción de cemento). Es el principal gas que contribuye al cambio climático.
• Metano (CH 4 ): gas de efecto invernadero que es el componente principal del gas natural y está asociado con todos los combustibles de hidrocarburos. Algunas actividades agrícolas también producen importantes emisiones de metano causadas por el hombre. El metano también se produce de forma natural en los lugares donde la materia orgánica se descompone en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno), como en los humedales.
• Fuente de GEI: Algo que libera un gas de efecto invernadero a la atmósfera. Por ejemplo, la quema de combustibles fósiles es una fuente de emisiones de GEI.
• Sumidero de GEI: Algo que elimina un gas de efecto invernadero de la atmósfera. Por ejemplo, las plantas, mediante la fotosíntesis, transforman el dióxido de carbono del aire en materia orgánica, que permanece en las plantas o se almacena en el suelo. Por lo tanto, las plantas son un sumidero de dióxido de carbono.
• Presupuesto de carbono:
  • Presupuesto global de carbono: la evaluación de las fuentes y sumideros globales de carbono y el cambio resultante en la concentración atmosférica de CO 2 .
  • Presupuesto total de carbono: la cantidad máxima de emisiones netas globales de CO2 de origen humano que limitarían el calentamiento global a un nivel determinado.
• Estimaciones de arriba hacia abajo: estimaciones de fuentes y sumideros derivadas de observaciones atmosféricas.
• Estimaciones de abajo hacia arriba: estimaciones de fuentes y sumideros derivadas de modelos terrestres y oceánicos o datos de actividad.
• Flujos laterales: el flujo de carbono entre diferentes tipos de fuentes y sumideros (por ejemplo, flujo lateral de productos agrícolas desde el crecimiento hasta el consumo, transporte fluvial de carbono del suelo desde los sistemas terrestres hasta los oceánicos).