Используя армию небольших спутников, исследователи показали, что уровень воды в небольших озерах на севере Канады и Аляски в течение лета меняется гораздо сильнее, чем считалось ранее. Выводы, опубликованные в Geophysical Research Letters, могут повлиять на то, как ученые рассчитывают естественные выбросы парниковых газов из этих северных озер.
В исследовании использовались изображения, сделанные сетью из более чем 150 CubeSats - небольших спутников размером с обувную коробку, - которые проводили почти ежедневные наблюдения за более чем 85 000 небольших озер Северной Америки летом 2017 года. Изображения позволили исследователям увидеть, как озера менялись с течением времени. Они обнаружили небольшие, но значительные изменения береговой линии в отдельных озерах, что в сумме привело к изменению площади озер на сотни квадратных километров в исследуемом регионе..
«Было проведено множество исследований климатических изменений в районе озер, но в основном они сосредоточены на долгосрочных изменениях», - сказала Сара Кули, доктор философии. студент Университета Брауна и ведущий автор исследования. «Это первый случай, когда кто-либо обратил внимание на мелкомасштабные краткосрочные изменения, и мы обнаружили, что в течение сезона изменчивость гораздо больше, чем ожидалось».
Исследуемый район охватывает значительную часть арктической тундры и бореальных лесов, биом, который окружает северное полушарие Земли в полосе примерно от 50 до 70 градусов северной широты. Этот регион является домом для важных лесных и тундровых экосистем, а также самой высокой плотности озер на планете, поэтому понимание его гидрологии важно с научной точки зрения. Одна из причин этого заключается в том, что бореальные озера являются значительным источником природных выбросов парниковых газов. Их отложения содержат тонны органического углерода, который вымывается из окружающего ландшафта. Часть этого углерода затем разлагается и выбрасывается в атмосферу в виде углекислого газа и парниковых газов метана.
Это новое открытие существенных летних колебаний береговой линии имеет значение для того, как ученые рассчитывают эти выбросы, говорят исследователи. Это связано с тем, что участки береговой линии, где вода от сезона к сезону имеет приливы и отливы, являются известными очагами образования и выбросов парниковых газов. Но оценки выбросов озер обычно предполагают, что береговая линия стабильна в течение каждого сезона. Обнаружение неожиданных внутрисезонных колебаний береговой линии, по словам исследователей, предполагает, что текущие модели выбросов из бореальных озер могут быть недооценены..
«Береговая линия, которая колеблется, будет выделять больше углерода, чем стабильная береговая линия», - сказал Кули. «Эти краткосрочные колебания, которые никто никогда не наносил на карту, предполагают, что эти озера потенциально выделяют больше газа, чем люди думали».
Другим открытием, удивившим исследовательскую группу, была большая общая важность колебаний береговой линии на древнем Канадском щите, скалистом, влажном ландшафте в центральной Канаде, где миллионы небольших озер покрывают 20 процентов ландшафта.
«Предыдущие исследования предполагали, что озера в этом районе относительно стабильны», - сказал Лоуренс С. Смит, соавтор исследования и руководитель проекта НАСА «Эксперимент уязвимости в арктических и бореальных условиях», который помог финансировать исследование. «К нашему удивлению, высокочастотные изображения с высоким разрешением, полученные с помощью CubeSats, показали, что небольшие колебания береговой линии в этом богатом озерами районе составляют впечатляюще большие числа».
В целом, в исследовании были изучены четыре субрайона североамериканской Арктики и субарктики, и было обнаружено, что малоизученный Канадский щит является наиболее динамичным из всех, где около 1,4 процента его ландшафта сезонно затопляется мелкими колебания уровня озера.
Большие данные, маленькие спутники
Еще один вывод из исследования, по словам Кули, заключается в том, что оно показывает способность CubeSats собирать данные, которые не могут собрать более крупные спутники.
«Что меня больше всего волнует с научной точки зрения, так это возможность использовать эти новые изображения CubeSat», - сказал Кули. «Мы не смогли бы провести эти наблюдения без CubeSats, и здесь мы показываем, что из этих изображений можно извлечь ценную научную информацию».
Крупные спутники космического агентства, украшенные чувствительными научными приборами, могут собирать все виды информации, но просто не делают достаточного количества проходов над головой, чтобы уловить изменения, происходящие за короткие промежутки времени. А спутникам, которые пролетают ежедневно, не хватает разрешения камеры для детальных наблюдений за озером.
CubeSats, недавно запущенный компанией Planet, предложил потенциальное решение. Компания управляет более чем 150 спутниками, которые вращаются вокруг Земли таким образом, что они позволяют им ежедневно получать изображения всего земного массива по мере того, как планета вращается под ними. И хотя на крошечных спутниках отсутствует сложное научное оборудование, у них есть мощные камеры, способные делать снимки с разрешением 3 метра.
Но данные CubeSat представляют некоторые уникальные проблемы, говорит Кули. Например, данные о местоположении с CubeSats, как правило, не такие точные, как данные со спутников космического агентства. А на изображениях CubeSat отсутствуют фильтры, облегчающие их анализ. Спутниковые данные НАСА или Европейского космического агентства (ЕКА) фильтруются, чтобы исключить изображения, сделанные в пасмурные дни, или другие изображения низкого качества.
Поэтому Кули пришлось разработать собственную систему, чтобы компенсировать эти проблемы. Для исследования она обучила алгоритм машинного обучения обнаруживать аномальные шаблоны данных и отбрасывать их. Например, случаи, когда озеро внезапно исчезает в течение дня только для того, чтобы вернуться в поле зрения через несколько дней, скорее всего, вызваны облачным покровом или ошибочными наблюдениями, а не фактическим исчезновением озера. Алгоритм может помечать такие экземпляры и удалять их из данных.
Используя этот алгоритм, Кули и ее коллеги смогли просеять более 25 терабайт данных CubeSat. Кули говорит, что ожидает от CubeSats в ближайшие годы еще больше интересных открытий в области наук о Земле.
«Я вижу в этом начало нового периода в дистанционном зондировании, когда все виды наблюдений за Землей, которые раньше были невозможны, станут возможными с помощью этих маленьких простых спутников», - сказал Кули.
Исследование финансировалось Программой экологии Земли НАСА «Эксперимент уязвимости в Арктике и Бореале» (ABoVE) (NNX17AC60A) и стипендией выпускника Национального научного фонда Саре Кули. Другими соавторами статьи были Джонатан Райан, Линкольн Питчер и Тамлин Павелски.