Ученые наблюдают таяние многолетней мерзлоты на Кольском полуострове. Это может служить важным индикатором изменения климата и основой для разработки климатических сценариев для Арктики. Для изучения этой проблемы специалисты Карельского научного центра РАН разработали новый способ мониторинга мерзлоты на основе методов дистанционного зондирования и машинного обучения. Он позволяет оценить степень деградации бугристых болот, содержащих области мерзлого торфа. Ученые применили комплексный подход, включающий аэрофотосъемку, георадиолокацию, компьютерное моделирование и описание растительного покрова.

Бугристые болота или пальза (фин. palsa – «торфяной выступ в болоте») – необычные природные объекты. Они представляют собой группы бугров высотой до нескольких метров, которые сформировались из-за криогенного пучения – выдавливания торфа из-за промерзания нижележащих слоев. Такие болота встречаются только в Северном полушарии и относятся к зоне распространения спорадической мерзлоты. Кольский полуостров – северо-восточная граница распространения бугристых болот на территории Фенноскандии. Но в отличие от соседних стран Норвегии, Швеции и Финляндии, где давно ведется мониторинг их состояния, пальза Кольского полуострова изучены гораздо меньше.

Ученые разных стран отмечают, что из-за глобального потепления южная граница основной вечной мерзлоты отодвигается все дальше на север. Поэтому необходима организация мониторинга мерзлоты в разных регионах Арктической зоны. Динамика бугристых болот Кольского полуострова также является важным маркером возможных климатических изменений. По существующим прогнозам, пальза Фенноскандии могут полностью растаять в течение 40–60 лет.

Восполнить пробел в знаниях о состоянии пальза-болот на Кольском полуострове призван научный проект карельских ученых, поддержанный грантом РНФ № 22-77-10055. В рамках исследования специалисты разного профиля разработали комплексный метод изучения этих природных объектов. Результаты его апробации опубликованы в международном журнале Remote Sensing.

– Мы поставили перед собой цель определить, как поверхностные признаки деградации пальза, которые видны в ландшафтных особенностях и составе растительного покрова, соотносятся с внутренним состоянием мерзлоты и гидрологии торфа, – рассказал Павел Рязанцев, руководитель проекта, старший научный сотрудник Отдела комплексных научных исследований КарНЦ РАН.

Полевые работы проводились на болоте в Ловозерском районе Мурманской области. Ученые фотографировали и измеряли участки местности с использованием аэрофотосъемки с дрона, описывали растительность на поверхности, «просвечивали» бугры георадаром, вручную бурили скважины и копали почвенные разрезы. Для обработки всего набора данных и получения итоговой классификации поверхности привлекались методы машинного обучения.

Анализ аэрофотоснимков и наземных ботанических описаний позволил разделить поверхность на ландшафтные классы. А георадарные зондирования дополненные скважинами обеспечили представление о внутреннем строении и гидрологии торфяника. Затем эти данные сопоставили между собой с помощью методов машинного обучения. В итоге исследователи смогли определить, как состояние мерзлоты влияет на распределение ландшафтных классов, и как форма и размер бугров связаны с растительность их покрывающей. Если мерзлота деградирует, то это находит своё отражение на поверхности: мхи сменяются на травянистые и кустарничковые сообщества, а в последствие появляются деревья.

Труднодоступность и широкое распространение пальза на Кольском полуострове осложняют оценку всего масштаба их таяния. Поэтому в дальнейшем, после машинного обучения на полученной выборке, система позволит оценивать состояние болот с помощью дистанционных данных, без наземных наблюдений.

Результаты исследований на Ловозерском болоте показали: на сегодняшний день протекание процессов деградации бугров не вызывает сомнения. Хотя ранее российские ученые полагали, что состояние пальза на Кольском полуострове достаточно стабильно.

– Эта оценка делалась на основании годовой толщины активного слоя мерзлоты. Последние же исследования говорят о том, что толщина активного слоя – не показатель, очень важно именно сокращение площади бугров. Особенность пальза в том, что их таяние зачастую происходит спонтанно и очень быстро. В экспедиции на восточном побережье Кольского полуострова мы наблюдали коллапс бугра буквально в реальном времени: его склон обваливался в пруд, образованный из талой воды. Важно успевать отслеживать такие процессы, именно поэтому нужен непрерывный мониторинг, – пояснил Павел Рязанцев.

Еще один важный результат исследования: данные георадара показали, что мерзлота внутри бугра не всегда повторяет его форму. Ученые обнаружили ассиметричное расположение мерзлоты в отдельных буграх. Выяснилось, что это связано с накоплением снега на подветренных склонах, и, как следствие, изменением температуры промерзания. Таким образом, авторы подтвердили, что на деградацию бугристых болот влияет не только повышение среднегодовой температуры, наблюдаемое на Кольском полуострове, но и количество осадков.

Таяние мерзлоты – не просто маркер климатических изменений. Как правило, оно сопровождается повышенным выбросом парниковых газов, законсервированных в замерзшем торфе. Эта тема также нуждается в дополнительном изучении. В планах карельских ученых, помимо разработки методики выделения и классификации бугристых болот, – создание системы автоматического мониторинга состояния мерзлоты пальза и их газовым режимом.

– Для ученых пальза – это природная лаборатория или обсерватория, так как циклы их роста и деградации тесно связаны с климатическими факторами. Мы можем изучать состояние бугристых болот и оценивать, как трансформируется мерзлота и как подобные изменения связаны с глобальными климатическими процессами, в Северном полушарии, – подытожил руководитель проекта.

Источник: служба научных коммуникаций КарНЦ РАН.