Арктичні капіляри — тривожний симптом швидких змін ландшафту

За мірою того, як темпи потепління в Арктиці продовжують перевищувати світові показники, на ландшафті з'являється складна й обширна мережа капіляроподібних утворень.

Ці нові та швидко змінювані особливості можуть прискорити зміни в арктичних екосистемах.

Джерело: phys.org

Деталі:

Наприклад, попри збільшення опадів, озера в тундрі зникають, і ця капілярна система може бути фактором, що впливає не тільки на гідрологію, а й на кількість вуглецю, що зберігається в мерзлоті.

Поки впливи цієї системи залишаються здебільшого невідомими, команда науковців, включаючи доцента кафедри природних ресурсів та навколишнього середовища Університету Коннектикуту Чанді Вітарану, наукового співробітника Амала Переру та аспірантів Еліаса Маноса і Майкла Піменти, використовує нові технології для створення панарктичної карти. Це допоможе краще зрозуміти систему капілярів тундри та те, як вона вплине на регіон у міру продовження змін клімату.

Дослідники описали свій прогрес у нещодавньому коментарі в журналі Nature Water разом із провідним автором Анною Лільєндал, асоційованим науковцем із Woodwell Climate Research Center. Вітарана поспілкувався з UConn Today, щоб обговорити проєкт.

Що таке капіляри тундри та як вони утворюються?

Капіляри є частиною унікальної системи ландшафту. В Арктиці є замерзлий шар — вічна мерзлота, а над ним активний шар, де замерзлий ґрунт тріскається, і влітку вода проникає в ці тріщини, потім знову замерзає.

З часом, через цей повторюваний процес, утворюється щось на кшталт бруду, і коли все знову замерзає, тріщини розширюються, створюючи крижані клини. Ці клини піднімають ґрунт і разом з іншими утворюють мережу під поверхнею. Навколо країв полігонів є западини або жолоби, і ці жолоби з'єднані в мережу, яку ми називаємо капілярною системою.

Як капілярна система впливає на ландшафт?

Жолоби навколо крижано-клинових полігонів дуже неглибокі, їх не можна назвати потоками чи струмками, швидше, вони є депресіями на ландшафті та можуть діяти як дренажна система.

Коли температура під поверхнею підвищується, краї крижаних клинів руйнуються, що означає опускання верхніх шарів, і з часом жолоби стають глибшими через так зване вертикальне осідання, що дозволяє їм утримувати більше води.

У літній період ці мілкі водойми можуть поглинати більше тепла, яке передається у вічну мерзлоту, погіршуючи систему. Ізольовані озера в мерзлоті можуть з'єднуватися з часом, і ця капілярна система може перетворитися на щось на зразок струмка чи потоку.

Потік є рухомим агентом, який може переносити багато речовин. Коли вода рухається, вона змінює динаміку поживних речовин, енергії та біогеохімічних циклів по ландшафту. Саме так капілярна система швидко розвивається.

Чи помічали ви зміни в ландшафті з початку ваших досліджень?

Я спостерігав зміни ландшафту на супутникових знімках. Мої колеги бачать ці зміни безпосередньо на своїх польових майданчиках. Вони помітили драматичні зміни протягом двох років. Наприклад, минулого року вони відвідали ділянку, а цього року побачили, як жолоби з'єдналися через вертикальне осідання, отже, це відбувається не десятиліттями, а набагато швидше в певних місцях. Потепління та його вплив відбуваються нерівномірно по Арктиці — це не є однорідним процесом. Науковці в полі бачать цю швидку трансформацію.

Які технології ви використовували для цього дослідження?

Коли ми почали це дослідження, науковці спостерігали ці види деградації як локальні процеси, але при поєднанні польових спостережень з Сибіру та Канади ми зрозуміли, що це не локальне явище.

Проблема в тому, що ці процеси відбуваються в дуже віддалених місцях на величезних територіях, 25 мільйонів квадратних кілометрів. Ми не знаємо, як це відбувається, і це мікромасштабні процеси. Якщо жолоб змінюється з часом, і вони знаходяться на метрі чи субметровому масштабі, нам потрібні спостереження дистанційного зондування високого просторового розділення, щоб ідентифікувати мікротопографію.

Супутники дистанційного зондування, такі як Sentinel або Landsat, працюють на 30-метровому масштабі, і це занадто грубо для захоплення цієї динаміки. Але ми змогли використати комерційні супутникові дані з субметровим розділенням для цього регіону, щоб визначити ці деградації, такі як розвиток жолобів, формування озер та збільшення зв’язності.

До цього проєкту ніхто не намагався картографувати полігони крижаних клинів на великому масштабі. Люди пробували картографувати їх на менших масштабах, наприклад, на кількох тисячах квадратних кілометрів, але площа панарктичної тундри становить приблизно 5 мільйонів квадратних кілометрів. Уявіть, це 384 штати Коннектикут.

На щастя, NSF Polar Programs надала нам доступ до всіх комерційних супутникових знімків. Є мільйони зображень і трильйони пікселів, і ми провели пілотний проєкт і розробили метод для автоматизації вилучення зображень. Ми створили набори даних за допомогою колишніх і поточних аспірантів, які витратили години на цифрування дрібних об'єктів, близько 40 000 індивідуальних полігонів було вручну ідентифіковано та оцифровано.

Це було копітко, але нам були потрібні ці дані для навчання моделі. Ми використовували штучний інтелект і навчали алгоритм для цього. NSF також надала нам обчислювальні ресурси, необхідні для створення першої панарктичної карти полігонів крижаних клинів.

Ми ідентифікували понад 1 мільярд індивідуалізованих полігонів крижаних клинів, і ще мільярди залишаються для картографування, але це перший крок. Ми залучили всі інструменти та важку техніку для виконання цього завдання.

Довідково:

Яке майбутнє цього дослідження?

Я думаю, що цей проєкт відкрив очі, включаючи NSF Polar Program. Цей проєкт запустив ланцюгову реакцію для вивчення інших особливостей, не тільки полігонів крижаних клинів, але й інших порушень, включаючи події, схожі на зсуви. Оскільки ми створили модельний конвеєр, кожен може розробити модель для своєї області інтересу.

Наступною нашою сферою інтересу є картографування інфраструктури на панарктичному рівні, що буде детально описано в статті, яка скоро вийде. Ми плануємо також розглянути економічну оцінку та політичні рішення. Ми також проводимо картографування самої мережі жолобів з 1930 року, використовуючи історичні аеродані, щоб подивитися, як ландшафт змінився за останні 80 років.

Ми намагаємося прогнозувати майбутнє. Ми підключаємо супутникові дані до моделі прогнозування з майже реальними даними, де ми знаємо, що відбуваються порушення, і можемо зосередитися на таких речах, як танення вічної мерзлоти та викиди вуглецю.

• #Арктика
• #карта
• #клімат