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. С помощью спутниковых данных и материалов натурных полевых исследований оценено, 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: строительство, добыча ресурсов, прокладка дорог, вместе с изменениями климата приводит к заметному разрушению природной среды и трансформации ландшафтов в зоне многолетней мерзлоты. Нарушается верхний органический слой почвы, который в естественных условиях служит теплоизоляцией — удерживает холод и защищает мерзлоту от перегрева. В результате ускоряется таяние мерзлых почв и фиксируются аномалии глубины сезонного 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 имеет большое значение для понимания и прогнозирования устойчивости экосистем криолитозоны — зоны мерзлоты. Это критически важно 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 комплексные исследования на серии пробных площадей в различных условиях в районе Норильска. С помощью спутниковых данных специалисты впервые классифицировали ландшафты криолитозоны и выявили характеристики двух крайних состояний: участков с практически нетронутым состоянием растительности, почвы и мерзлоты, и территорий, сильно изменённые под воздействием промышленной деятельности или аэротехногенных загрязнений.

Постоянные пробные площади были заложены в пределах 50 км от города Норильска так, чтобы охватить всю территорию Норильского промышленного района. Чтобы понять, как меняется ландшафт и что происходит с мерзлотными почвами в условиях техногенного воздействия, учёные использовали многолетнюю серию спутниковых снимков, дополненных измерениями на местности температуры и глубины протаивания почвы. Спутниковый мониторинг в сочетании с полевыми наблюдениями позволяет эффективно отслеживать происходящие 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 какие значения может принимать глубина сезонного протаивания. Это особенно важно для районов Арктики, где необходимо развивать систему непрерывного мониторинга крайне 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.

Учёные обнаружили отчетливые проявления деградации ландшафтов в зоне вечной мерзлоты на севере Красноярского края: степень изменений зависела от уровня промышленной нагрузки и достигала 77% на сильно нарушенных участках. Там наблюдались аномально низкие значения вегетационного индекса, что указывает на значительную утрату растительного покрова. Температурный индекс также показал существенные отклонения от фоновых значений. В результате нарушаются теплоизолирующие свойства почвы, что приводит к перераспределению тепла и вызывает необычно глубокое протаивание в тёплое время года. Наблюдаемые изменения — появление провалов, проседания поверхности, усиленное таяние мерзлоты и утрата растительности — указывают на серьёзную трансформацию ландшафтов. Как правило, основная первопричина этого – деградацией верхнего органогенного 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 летнего периода 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 растёт 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 учёта этих факторов. Подобные изменения в Арктике могут иметь отдаленные последствия, влияющие на устойчивости региональных экосистем. Изменение водно-термического режима в почвах криолитозоны способно повлиять на биоразнообразие и устойчивость природных сообществ. При этом деградация или полное разрушение теплоизолирующих слоёв влияет не только на теплофизические 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 даёт 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 идёт 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.