Спутники фиксируют, как меняются мерзлотные ландшафты Севера Сибири

Красноярские ученые впервые подробно классифицировали ландшафты зоны вечной мерзлоты и зафиксировали масштабные изменения, вызванные изменением климата и промышленной нагрузкой в районе Норильска. Спутниковые данные и материалы полевых исследований показали, как протаивает мерзлота, теряется растительность и разрушается почвенный покров — процессы, которые могут повлиять на устойчивость всей арктической экосистемы и инфраструктуры региона. Результаты исследования опубликованы в журнале Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.

Ускоренное освоение Арктики вместе с изменениями климата разрушает природную среду и трансформирует ландшафты в зоне многолетней мерзлоты. В частности, нарушается верхний органический слой почвы, который в естественных условиях удерживает холод и защищает мерзлоту от перегрева. В результате ускоряется таяние мерзлых почв и фиксируются более глубокие сезонные протаивания. Арктические экосистемы особенно чувствительны к таким процессам. Они восстанавливаются крайне медленно и подвержены каскадным эффектам — когда одно изменение запускает целую цепочку нарушений. Мониторинг этих процессов важен для понимания и прогнозирования устойчивости экосистем зоны мерзлоты. Это необходимо для оценки рисков, связанных с деградацией мерзлоты, изменением гидрологических режимов в почвах, что определяет стабильность как инфраструктурных объектов, так и биоразнообразия в Арктике.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН провели комплексное исследование в районе Норильска. С помощью спутниковых данных специалисты впервые классифицировали северные ландшафты и выявили характеристики двух крайних состояний: участков с практически нетронутыми растительностью, почвой и мерзлотой, и территорий, сильно измененных под воздействием промышленной деятельности.

Зоны исследования были расположены в пределах 50 км от города Норильска и охватывали всю территорию Норильского промышленного района. Чтобы понять, как меняется ландшафт и что происходит с мерзлотными почвами в условиях промышленного воздействия, ученые использовали многолетнюю серию спутниковых снимков, дополненных измерениями на местности температуры и глубины протаивания почвы. Спутниковый мониторинг в сочетании с полевыми наблюдениями позволяет отслеживать природные и антропогенные процессы, оценивать текущее состояние ландшафтов и прогнозировать, как они будут меняться в будущем. Такие данные важны не только для науки, но и для принятия решений при планировании освоения северных территорий.

Исследователи проанализировали два ключевых спектральных показателя: вегетационный индекс, показывающий состояние растительности, и температурный индекс поверхности земли. По значениям этих индексов и их динамике во времени, как показали результаты, можно судить не только о степени трансформации ландшафта, но и о том, насколько нарушен почвенный покров, как изменилась температура поверхности и почвенного профиля, а также о глубине сезонного протаивания. Это особенно важно для районов Арктики, где необходим мониторинг чувствительных к внешним воздействиям природных экосистем, которые и формируются, и восстанавливаются очень медленно. Эта задача приобретает особую актуальность в свете недавнего поручения президента о создании центра по изучению вечной мерзлоты.

Ученые обнаружили отчетливые проявления деградации ландшафтов в зоне многолетней мерзлоты на севере Красноярского края: степень изменений зависела от уровня промышленной нагрузки. При высокой нагрузке наблюдались аномально низкие значения вегетационного индекса, что указывает на значительную утрату растительного покрова. Температурный индекс также существенно отклонялся от фоновых значений. Нарушение теплоизолирующих свойств почвы приводит к перераспределению тепла и вызывает необычно глубокое протаивание в теплое время года. Наблюдаемые изменения — появление провалов, проседания поверхности, усиленное таяние мерзлоты и утрата растительности — указывают на серьезную трансформацию ландшафтов. Как правило, основная первопричина этого – деградация верхнего слоя почвы, который играет ключевую роль в защите многолетней мерзлоты от разрушения.

Результаты наблюдения на местности подтвердили предварительные выводы, сделанные на основе спутниковых данных: на нарушенных участках глубина сезонного протаивания почвы в течение лета увеличивалась в 1,5–2 раза по сравнению с нетронутыми территориями.

«Влияние антропогенной нагрузки усугубляется климатическими изменениями, фиксируемыми в регионе. По наблюдениям метеостанций, в районе Таймыра средняя температура воздуха растет на 0,6–0,8 градуса каждые 10 лет. А вегетационный период — время, когда растения активны, — по наблюдениям за период с 2017 по 2020 год увеличился до 20–50 дней. Это способствует дополнительному прогреву поверхности и дальнейшему разрушению мерзлоты. Устойчивое развитие Арктической зоны требует учета этих факторов. Подобные изменения в Арктике могут иметь отдаленные последствия, влияющие на устойчивости региональных экосистем. Изменение водно-термического режима в северных почвах способно повлиять на биоразнообразие и устойчивость природных сообществ. При этом деградация или полное разрушение теплоизолирующих слоев влияет не только на характеристики почв и состояние экосистем, но и на устойчивость инженерной инфраструктуры, включая здания, дороги и трубопроводы, построенные на многолетней мерзлоте. Данные дистанционного зондирования Земли в совокупности с полевыми измерениями позволяют отслеживать последствия антропогенного и климатического воздействия. Это дает возможность разрабатывать прогнозные модели, заранее выявлять зоны риска и своевременно принимать меры по их снижению и минимизации ущерба», — пояснил кандидат технических наук Евгений Пономарев, старший научный сотрудник Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 23-14-20007) и Красноярского краевого фонда науки, оно интересно не только научному сообществу, но и промышленным компаниям, так как комплексные обследования помогут предприятиям оценить экологические риски. В перспективе речь идет не только об исследовании природных процессов, но и о выработке механизмов, позволяющих сохранить баланс между промышленным освоением северных территорий и поддержанием их экологической устойчивости. Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Источник информации и фото: ФИЦ КНЦ СО РАН