Новые способы измерения таяния вечной мерзлоты могут помочь нам понять ее потенциальное воздействие на инфраструктуру, военные базы и сообщества.
Что-то неладно в городе Нунапитчук. В последние годы в доме образовалась трещина. Сточные воды просочились в землю. Почва вокруг зданий размыта, и они возвышаются над шаткими комьями грязи. Вечные лужи. И плесень. Земля может казаться вязкой и размокшей.
Этот небольшой городок на севере Аляски сталкивается с часто упускаемым из виду последствием изменения климата: таянием вечной мерзлоты. И Нунапитчук — далеко не единственный арктический город, оказавшийся в подобной ситуации.
Вечная мерзлота, покрывающая примерно 15% поверхности Северного полушария, определяется как грунт, остающийся замороженным не менее двух лет. Исторически сложилось так, что большая часть вечной мерзлоты в мире оставалась твёрдой и стабильной гораздо дольше, что позволяло людям строить на ней целые города. Однако по мере потепления планеты, которое происходит быстрее вблизи полюсов, чем в умеренных широтах, вечная мерзлота тает, вызывая множество инфраструктурных и экологических проблем.
Теперь учёные полагают, что смогут использовать спутниковые данные, чтобы проникнуть глубоко под поверхность земли и лучше понять, как тает вечная мерзлота и какие районы могут пострадать сильнее всего, поскольку изначально там было больше льда. Краткосрочное поведение этих особенно ледяных участков, наблюдаемое из космоса, может предвещать будущие проблемы.
Используя информацию, полученную как из космоса, так и с земли, они работают с пострадавшими сообществами, чтобы предсказать, даст ли трещину фундамент дома и стоит ли заделывать трещину или лучше начать строительство нового дома на устойчивой вершине холма. Прогнозы этих учёных по вечной мерзлоте уже помогают таким сообществам, как Нунапитчук, принимать эти непростые решения.
Но под угрозой находятся не только дома мирных жителей. Национальное агентство геопространственной разведки (NGA), одно из ведущих разведывательных агентств США, также заинтересовано в более глубоком изучении вечной мерзлоты. Это связано с тем, что те же проблемы, которые преследуют мирных жителей Крайнего Севера, угрожают и военной инфраструктуре, как в стране, так и за рубежом. NGA, по сути, представляет собой организацию, состоящую из космических шпионов — людей, которые анализируют данные со спутников-разведчиков и извлекают из них информацию для органов национальной безопасности страны.
Понимание потенциальной нестабильности военной инфраструктуры Аляски, включая радиолокационные станции, следящие за межконтинентальными баллистическими ракетами, а также военные базы и посты Национальной гвардии, имеет ключевое значение для поддержания этих объектов в рабочем состоянии и планирования их будущего укрепления. Понимание потенциальных уязвимостей вечной мерзлоты, которые могут повлиять на инфраструктуру таких стран, как Россия и Китай, даёт то, что инсайдеры могли бы назвать «ситуационной осведомлённостью» о конкурентах.
Работа по пониманию причин этого таяния будет становиться все более актуальной как для мирного населения, так и для их правительств, поскольку мир продолжает теплеть.
Земля внизу
Если вы живёте за Полярным кругом, вы, вероятно, не задумываетесь о вечной мерзлоте. Но она влияет на вас, где бы вы ни жили.
Помимо инфраструктурных последствий для таких городов, как Нунапитчук, таяние вечной мерзлоты приводит к секвестрированию углерода — вдвое большему, чем сейчас содержится в атмосфере. По мере таяния вечной мерзлоты в атмосферу могут выбрасываться парниковые газы. Этот выброс может вызвать обратную связь: повышение температуры приводит к таянию вечной мерзлоты, что приводит к выбросу парниковых газов, что ещё больше нагревает воздух, и, как следствие, — вот вам и всё.
Сами микробы, а также ранее задержанные тяжелые металлы также оказываются на свободе, что представляет опасность.
В течение многих лет основным способом изучения некоторых из этих изменений, связанных с замораживанием и оттаиванием, для исследователей были практические наземные исследования. Но в конце 2000-х годов Кевин Шефер, ныне старший научный сотрудник Кооперативного института исследований в области наук об окружающей среде при Университете Колорадо в Боулдере, начал исследовать менее трудоёмкую идею: использование радиолокационных систем на борту спутников для исследования земной поверхности.
Эта идея пришла ему в голову в 2009 году, когда он отправился в место под названием Тулик-Лейк, к юго-западу от нефтяных месторождений залива Прудхо на Аляске. Однажды, после нескольких часов бурения кернов для изучения вечной мерзлоты, он отдыхал в хижине Квонсет, беседуя с коллегами. Они начали обсуждать, как космический радар мог бы потенциально отслеживать опускание и подъём земли при изменении температуры.
«Ха, — подумал он. — Да, радар, наверное, на это способен».
Учёные называют слой почвы, расположенный непосредственно над вечной мерзлотой, деятельным слоем. Вода в этом слое почвы сжимается и расширяется в зависимости от времени года: летом лёд, пропитывающий почву, тает, и в результате уменьшения объёма земля опускается. Зимой вода замерзает и расширяется, снова увеличивая подвижный слой. Радар может помочь измерить эту разницу высот, которая обычно составляет от одного до пяти сантиметров.
Шефер понял, что может использовать радар для измерения высоты поверхности земли в начале и конце оттепели. Электромагнитные волны, отражающиеся в эти два момента, проходили немного разные расстояния. Эта разница позволила бы выявить небольшие изменения высоты в течение сезона и оценить, сколько воды растаяло и снова замерзло в активном слое, а также насколько глубоко под поверхностью распространилась оттепель.
Шефер понял, что с помощью радара ученые смогут охватить гораздо большую территорию, затратив меньше усилий и средств.
Связанная история
Внутри нового квеста по спасению «ледника Судного дня»
Инициатива по леднику Арет собрала 5 миллионов долларов для улучшения прогнозов повышения уровня моря и изучения возможности повторного замерзания ледников на месте.
«Нам потребовалось два года, чтобы понять, как написать об этом статью», — говорит он; никто до этого не проводил подобных измерений. Он и его коллеги представили идею на съезде Американского геофизического союза в 2010 году и опубликовали в 2012 году статью, подробно описывающую метод и его применение для оценки толщины активного слоя на Северном склоне Аляски.
По словам геофизика Роджера Михаэлидиса, когда они это сделали, они помогли создать новую область, которая разрослась, когда около 5–10 лет назад стали доступны крупномасштабные наборы данных. в Университете Вашингтона в Сент-Луисе и соавтор Шефера. Усилиям исследователей способствовало развитие космических радиолокационных систем и более компактных и недорогих спутников.
Благодаря доступности глобальных наборов данных (иногда бесплатных, с государственных спутников, таких как Sentinel Европейского космического агентства) и целевых наблюдений со стороны коммерческих компаний, таких как Iceye, исследования вечной мерзлоты переходят от специализированного регионального анализа к более автоматизированному, масштабному мониторингу и прогнозированию.
Удаленный взгляд
Саймон Цвибак, эксперт по геопространственным данным и окружающей среде из Университета Аляски в Фэрбанксе, каждый день своими глазами видит последствия таяния вечной мерзлоты. Из его кабинета открывается вид на университетскую парковку, угол которой огорожен, чтобы предотвратить падение автомобилей и пешеходов в недавно образовавшуюся воронку. Этот участок асфальта медленно проседал больше года, но этой весной, за неделю-другую, он наконец начал проваливаться внутрь.
Новые методы дистанционного исследования представляют собой крупномасштабную версию метода Цвибака, наблюдающего за видом из своего окна. Исследователи наблюдают за поверхностью земли и измеряют, как меняется её высота по мере таяния и замерзания льда. Этот подход может охватывать обширные участки суши, но он требует предположений о том, что происходит под поверхностью, а именно о том, сколько льда покрывает почву в активном слое и вечной мерзлоте. Таяние участков с относительно низким содержанием льда может имитировать более тонкие слои с большим количеством льда. Важно различать эти два явления, поскольку большее количество льда в вечной мерзлоте означает большую потенциальную нестабильность.
Чтобы убедиться в правильности своих действий, учёным традиционно приходилось выходить в полевые условия. Но несколько лет назад Цвибак начал искать способ более точной и глубокой оценки содержания льда, используя доступные данные дистанционного зондирования. Поиск способа проведения подобных измерений в больших масштабах был не просто академическим упражнением: области, которые он называет «избыточным льдом», наиболее подвержены возникновению нестабильности на поверхности. «Чтобы планировать работу в таких условиях, нам действительно необходимо знать, сколько льда там и где находятся места с его богатством», — говорит он.
Связанная история
Парниковые газы, которые мы не учитываем
Глобальное потепление является причиной выбросов, которые являются причиной глобального потепления, которое является причиной…
Цвибак, обучавшийся в бакалавриате и магистратуре в Швейцарии и Австрии, не всегда был так сильно заинтересован в вечной мерзлоте и так глубоко ею проникнут. Но в 2014 году, будучи докторантом по инженерной экологии, он присоединился к экологическому полевым работам в Сибири, в дельте реки Лены, напоминающей гигантский кусок коралла, раскинувшийся веером в Северном Ледовитом океане. Цвибак находился недалеко от города Тикси, одного из самых северных поселений в мире. Это военный форпост и отправная точка экспедиций на Северный полюс, где у океана находится заброшенный самолет. Его бетонные здания советских времен иногда попадают на первую страницу сабреддита r/UrbanHell.
Здесь Цвибак увидел, как часть береговой линии обрушилась, обнажив почти чистый лёд. Это выглядело как подземный ледник, но на самом деле это была вечная мерзлота. «Это произвело на меня неизгладимое впечатление», — говорит он.
Позже, будучи докторантом в Цюрихе и постдокторантом в Канаде, он использовал свои навыки работы с радаром, чтобы понять быстрые изменения, которые деятельность вечной мерзлоты вызывала в ландшафте.
А теперь, благодаря своей работе в Фэрбанксе и идеям об использовании радиолокационного зондирования, он выполнил работу, финансируемую NGA, у которой есть открытый портал данных по Арктике.
В своих арктических исследованиях Цвибак начал с подхода, лежащего в основе большинства радиолокационных исследований вечной мерзлоты: наблюдения за сезонным оседанием и подъёмом грунта. «Но это происходит очень близко к поверхности», — говорит он. «Это не даёт нам точной информации об этих долгосрочных дестабилизирующих эффектах», — добавляет он.
Он полагал, что в более теплое лето появятся едва заметные подсказки, которые могли бы указать, сколько льда залегает на большей глубине.
Например, он ожидал, что периоды с более высокой, чем обычно, температурой будут преувеличивать масштабы изменений на поверхности, что позволит легче определить, какие регионы богаты льдом. Земли, особенно плотно покрытые льдом, будут опускаться сильнее, чем «должно быть», — предвестник будущих более серьёзных провалов.
Первым шагом, как обычно, было непосредственное измерение оседания. Затем Цвибак разработал алгоритм для обработки данных о проседании с течением времени (измеренных радаром) и другой информации об окружающей среде, например, о температуре при каждом измерении. Затем он создал цифровую модель рельефа, которая позволила ему скорректировать смоделированное количество подземного льда и определить, соответствует ли оно реальному проседанию. Таким образом, исследователи смогли оценить количество льда, находящегося под ним.
Затем он составил карты этого льда, которые потенциально могли быть полезны инженерам — независимо от того, планируют ли они новый участок или, как могли бы поступить его спонсоры, следят за военным аэродромом.
«Новым в моей работе было то, что я рассмотрел эти гораздо более короткие периоды и использовал их для понимания конкретных аспектов всей этой системы, а именно того, сколько льда находится на большой глубине», — говорит Цвибак.
Агентство по геоэкологии (NGA), также финансировавшее работу Шефера, не ответило на первоначальный запрос о комментариях, но позже предоставило информацию для проверки фактов. Оно удалило со своего сайта статью о гранте Цвибака и его применении в интересах агентства примерно в то время, когда нынешняя президентская администрация начала запрещать упоминание изменения климата в федеральных исследованиях. Однако таяние земной коры вызывает серьёзную обеспокоенность.
Начнём с того, что на Аляске у США имеется значительная военная инфраструктура: здесь расположены шесть военных баз и 49 постов Национальной гвардии, а также 21 радар для обнаружения ракет. Большинство из них подвержены таянию снега уже сейчас или в ближайшем будущем, учитывая, что 85% территории штата находится на вечной мерзлоте.
За пределами американских границ, на севере наблюдается напряженность. Отношения России с Северной Европой остаются холодными. Вторжение России в Украину вызвало у этих стран опасения, что они тоже могут подвергнуться вторжению, что, например, побудило Швецию и Финляндию вступить в НАТО. США угрожают захватом Гренландии и Канады. А Китай, имеющий амбиции в сфере судоходства и ресурсов в регионе, стремится превзойти США и стать ведущей сверхдержавой.
Вечная мерзлота играет свою роль в этой ситуации. «По мере расширения знаний росло и понимание того, что таяние вечной мерзлоты может повлиять на вещи, которые заботят NGA, включая стабильность инфраструктуры в России и Китае», — говорится в статье NGA. Вечная мерзлота покрывает 60% территории России, и оттепели уже затронули более 40% зданий на севере России, согласно заявлениям министра природных ресурсов страны в 2021 году. Эксперты говорят, что под угрозой находятся критически важные объекты инфраструктуры, такие как дороги и трубопроводы, а также военные объекты. Это может ослабить как стратегическое положение России, так и безопасность ее жителей. В Китае, тем временем, согласно докладу Совета по стратегическим рискам, важные движущиеся части, такие как Цинхай-Тибетская железная дорога, «которая позволяет Пекину быстрее перебрасывать военный персонал вблизи спорных районов на границе с Индией», подвержены таянию грунта, как и нефте- и газопроводы, соединяющие Россию и Китай.
В поле
Любой анализ вечной мерзлоты, основанный на данных из космоса, требует проверки на Земле. Есть надежда, что дистанционные методы станут достаточно надёжными для самостоятельного использования, но пока они находятся в стадии разработки, исследователям ещё предстоит освоить более простые и проверенные физические методы. Некоторые используют сеть под названием «Циркумполярный мониторинг активного слоя», существующую с 1991 года и объединяющую данные о активном слое с сотен пунктов измерения по всему Северному полушарию.
Иногда эти данные получаются в результате физического зондирования местности; в других случаях используются постоянно врытые в землю трубки, заполненные жидкостью, которая указывает на замерзание; в третьих используются подземные кабели, измеряющие температуру почвы. Некоторые исследователи, такие как Шефер, таскают по тундре георадары. Он установил свою систему примерно на 50 участках и выполнил более 200 000 измерений в деятельном слое.
Готовый к использованию георадар поставляется в большом корпусе размером с пароходный кофр, который излучает радиоимпульсы. Эти импульсы отражаются от нижней части деятельного слоя или от верхней части вечной мерзлоты. В данном случае время отражения показывает толщину деятельного слоя. Используя ручки, предназначенные для людей, команда Шефера тащит этот корпус по заболоченным районам Арктики.
Коробка плавает. «А я — нет», — говорит он. Он живо помнит, как пробирался по болотам, как ноги упирались в грязь, а тело погружалось по бёдра.
Цвибаку также необходимо проверить выводы, сделанные им на основе космических данных. Поэтому в 2022 году он отправился на полевую станцию Тулик, финансируемый Национальным научным фондом исследовательский центр по экологии, расположенный вдоль шоссе Далтон, рядом с озером Тулик, построенным Шефером. Эту дорогу, идущую от Фэрбанкса до Северного Ледовитого океана, в разговорной речи называют «Дорогой для перевозки»; она прославилась благодаря телешоу «Ледяные дальнобойщики». Из этой точки доступа команде Цвибака нужно было получить глубокие образцы грунта, содержание льда в которых можно было бы проанализировать в лабораторных условиях.
Каждый день две команды ехали по шоссе Далтон, чтобы приблизиться к своим полевой базе. Хлопнув дверями машин, они выгружали вещи и садились на снегоходы, чтобы преодолеть последний отрезок пути. Часто им попадались овцебыки, похожие на бизонов, которые никогда не стригут шерсть. Гризли также проявляли интерес к этим быкам и к пасущимся поблизости карибу.
В местах, куда им удавалось добраться, они доставали керноотборник – длинный трубчатый инструмент, приводимый в движение газовым двигателем, предназначенный для глубокого бурения. Цвибак или его товарищ по команде вдавливали его в землю. Два лезвия бура вращались, вырезая цилиндр глубиной около полутора метров, чтобы обеспечить достаточную глубину для получения данных, которые можно было бы сравнить с измерениями, полученными из космоса. Затем они поднимали и извлекали цилиндр – колбаску из земли и льда.
Целыми днями, каждый день в течение недели, они собирали керны, которые совпадали с пикселями на радарных снимках из космоса. На этих кернах лёд был виден невооружённым глазом. Но Цвибак не хотел получать какие-либо отрывочные данные. «Нам нужны цифры», — говорит он.
Поэтому он и его команда упаковали свои почвенные цилиндры обратно в лабораторию. Там они разрезали их на сегменты и измерили их объём, как в замороженном, так и в оттаявшем виде, чтобы проверить, насколько измеренное содержание льда соответствует оценкам, полученным с помощью космического алгоритма.
Связанная история
Внутри гонки за альтернативы GPS
Стартап Xona Space Systems надеется предоставить не поддающуюся подделке альтернативу все более уязвимой системе GPS.
Первоначальная проверка, занявшая несколько месяцев, продемонстрировала ценность использования спутников для исследования вечной мерзлоты. Профили льда, полученные алгоритмом Цвибака на основе спутниковых данных, совпадали с лабораторными измерениями на глубине до 30 см и даже больше в тёплые годы, с некоторой погрешностью у поверхности и в более глубоких слоях вечной мерзлоты.
В то время как прилет на вертолете, поездка на машине и пересадка на снегоход, чтобы в конечном итоге взять пробу на небольшом участке вручную, стоили десятки тысяч долларов, а затем приходилось продолжать работу дома, команде понадобилось всего несколько сотен долларов, чтобы запустить алгоритм на основе спутниковых данных, которые были бесплатными и общедоступными.
Михаэлидис, знакомый с работой Цвибака, согласен, что оценка избыточного содержания льда имеет ключевое значение для принятия решений в области инфраструктуры, и что исторические методы его определения были дорогостоящими во всех смыслах. Метод Цвибака, основанный на использовании данных позднего лета для определения того, что происходит на этой глубине, «является очень интересной идеей», говорит он, а результаты «демонстрируют значительный потенциал этого подхода».
Однако он отмечает, что использование космических радаров для оценки таяния грунта — сложная задача: содержание льда в грунте, влажность почвы и растительность могут различаться даже в пределах одного пикселя, который может зафиксировать спутник. «Для ясности, это ограничение характерно не только для работы Саймона», — говорит Михаэлидис; оно влияет на все методы космической радиолокации. Избыток льда присутствует даже под поверхностью, где алгоритм Цвибака может проводить измерения — то, что трудоёмкие наземные методы могут обнаружить, но не видны из космоса.
Планируя будущее
После того, как Цвибак завершил полевые исследования, NGA решило провести собственные. Попытка агентства независимо подтвердить его работу — в Прудхо-Бей, Уткиагвике и Фэрбанксе — была частью проекта Frostbyte.
Её партнёры по этому проекту — Лаборатория исследований холодных регионов армии США и Лос-Аламосская национальная лаборатория — отклонили запросы на интервью. Насколько известно Цвибаку, они всё ещё анализируют данные.
Но разведывательное сообщество — не единственная группа, заинтересованная в исследованиях, подобных исследованиям Цвибака. Он также работает с жителями Арктики, взаимодействуя с сельскими поселениями Аляски, где люди пытаются решить, стоит ли переезжать или где безопасно строить. «Обычно они не могут позволить себе дорогостоящее бурение», — говорит он. «Поэтому идея заключается в том, чтобы сделать эти данные доступными для них».
Шефер также пытается сократить разрыв между своими научными достижениями и людьми, которых они затрагивают. Через компанию Weather Stream он помогает местным сообществам выявлять риски для инфраструктуры до того, как что-то рухнет, чтобы они могли принять превентивные меры.
Установление таких связей всегда было ключевой задачей для Эрин Трохим, геопространственного учёного из Университета Аляски в Фэрбанксе. Будучи исследователем, работающим не только с вечной мерзлотой, но и над политическими вопросами, она наблюдала стремительный прогресс в области радиолокации в последние годы, не сопровождавшийся соответствующими достижениями наземных исследований.
Например, жителям её города Фэрбанкса — или любого другого города — до сих пор сложно узнать, есть ли на их участке вечная мерзлота, если только они не готовы провести дорогостоящее бурение. Она столкнулась с этой до сих пор нерешённой проблемой на своём участке. И если эксперт не может разобраться, у неспециалистов практически нет шансов. «Просто обидно, что большая часть информации, которую мы получаем из научных источников и которая просочилась через инженерные службы, не нашла применения в строительстве», — говорит она.
Однако есть группа, которая пытается превратить этот ручеёк в настоящий поток: Permafrost Pathways, проект, запущенный благодаря гранту в 41 миллион долларов в рамках проекта TED Audacious. Совместно с пострадавшими сообществами, включая Нунапитчук, группа создаёт наземную сеть сбора данных и объединяет информацию из этой сети со спутниковыми данными и местными знаниями, чтобы лучше понять процессы таяния вечной мерзлоты и разработать стратегии адаптации.
«Я часто думаю об этом так, как будто вам поставили диагноз болезни», — говорит Сью Натали, руководитель проекта. «Это ужасно, но в то же время очень здорово, потому что, когда ты знаешь, в чём твоя проблема и с чем ты имеешь дело, только тогда ты можешь составить план её решения».
А сообщества, с которыми работает Permafrost Pathways, строят планы. Нунапитчук решил переехать, и город и исследовательская группа совместно обследовали предлагаемое новое место: возвышенность на плотном песке. Учёные Permafrost Pathways смогли помочь подтвердить устойчивость нового участка и доказать политикам, что эта устойчивость сохранится и в будущем.
По словам Натали, радар отчасти помогает в этом, поскольку, в отличие от других спутниковых детекторов, он способен проникать сквозь облака. «На Аляске очень облачно, — говорит она. — Поэтому другие наборы данных были очень и очень сложными. Иногда мы получаем всего одно изображение в год».
Итак, данные радаров и алгоритмы, подобные алгоритму Цвибака, помогают ученым и сообществам осмысливать эти данные, получать более глубокое представление о том, что происходит под ногами северян, и как сделать шаг вперед на более твердой почве.
Сара Скоулз — независимый научный журналист из южного Колорадо и автор недавно вышедшей книги «Обратный отсчет: ослепляющее будущее ядерного оружия».
Источник: www.technologyreview.com
