КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-77-10055

НазваниеПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА БУГРИСТЫХ БОЛОТ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА КАК МАРКЕР КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В АРКТИКЕ

РуководительРязанцев Павел Александрович, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук", Республика Карелия

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-703 - Гляциология

Ключевые словабугристые болота, мерзлота, геофизические методы, дистанционные зондирования, аэросъемка, беспилотные летательные аппараты, геомодели, мониторинг, климатические изменения

Код ГРНТИ38.65.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование процессов трансформации и деградации многолетнемерзлых пород является актуальной научной задачей, так как процессы таяния и динамики границ криолитозоны сопровождаются общим изменением экосистем. Для оценки климатических изменений в Арктике необходимы систематические исследования долговременных рядов наблюдений, расширению мониторинговой сети для охвата районов с разными природными условиями и включение результатов подобных исследований в глобальные модели динамики климата. Особенно интенсивно процессы деградации мерзлоты могут проявляться в трансграничных зонах Арктики и Субарктики, например для болотных экосистем, где небольшие, даже короткопериодные климатические сдвиги могут приводить к значительному эффекту. Примером таких объектов служат бугристые болота (palsa), которые характеризуются буграми пучения, содержащими ядро мерзлых грунтов. Изучение внутренней структуры и оценка динамики трансформации таких болот имеет важное научное значение, так как мерзлота в ядре бугров в значительной степени подвержены климатическим изменениям. Для всей Фенноскандии отмечается сокращение площади бугристых болот в три раза, что требует мониторинга биологических последствий, в том числе снижения биоразнообразия. Существующие климатические сценарии для северной Фенноскандии демонстрирую вероятность сокращения общей площади бугристых болот, вплоть до их полного исчезновения к середине XXI века. Одним из относительно слабоизученных регионов с точки зрения динамики криолитозоны является Кольский полуостров, где вечномерзлые грунты проявлены главным образом спорадически и в значительной мере приурочены к бугристым болотам. Бугристые болота выступают благоприятными модельными объектами исследования за счет локального размера, геоморфологической и геоботанической специфики, и обратной реакции даже на небольшие изменения динамического равновесия среды. В отличие от участков сплошной мерзлоты, мерзлота в ядре бугров интенсивнее реагирует не только на смену среднегодовой температуры, но и увеличение влажности грунта, толщину снежного покрова, сукцессию растительности. На основании чего для проекта обозначена цель разработать технологию определения пространственной структуры бугристых болот и ее мониторинга на основе комплекса неразрушающих методов контроля для оценки деградации мерзлоты в буграх, а также выявить закономерности трансформации бугристых болот под воздействием природно-климатических и антропогенных факторов и определить их динамику на территории Кольского полуострова. Одной из причин недооценки степени изменения мерзлоты на бугристых болотах является отсутствие детальных пространственных моделей, что связано с ограничением классических методов исследования – главным образом поверхностными наблюдениями и дискретным ручным зондированием толщины сезонно-талого слоя. Тогда как быстрый и эпизодический характер коллапса некоторых бугристых болот подчеркивает необходимость оперативно учитывать целый ряд показателей для выявления динамики. Поэтому работы по проекту включают как традиционные методы изучения болотных массивов, так и современные методы дистанционного зондирования, лазерного сканирования, аэрофотограмметрии и геофизической съемки. Проект ориентирован на решение следующих задач: изучение отображения компонентов мерзлых торфяников в геофизических полях; исследование алгоритмов цифровой обработки дистанционных снимков для типизации площади бугристых болот по заданным атрибутам; разработка принципов для создания комплексных 2D и 3D геомоделей, описывающих морфологию и внутреннюю структуру бугристых болот; выполнение комплексных исследований на пробных площадях на Кольском полуострове, различающихся по природно-климатическим условиям; разработка технологии мониторинга состояния бугристых болот на основе комплексных 2D и 3D геомоделей; оценка динамики изменений бугристых болот Кольского полуострова и выявление основных маркерных процессов и факторов, связанных с глобальными климатическими изменениями. Ключевые элементы проекта, которые обеспечивают научную новизну и значимость итоговых результатов: 1. Выделение зависимостей между свойствами торфа и геофизическими параметрами, растительным покровом и индексами дистанционны наблюдений, морфологией бугров и структурой мерзлого ядра для понимания вариативности отдельных компонентов бугристых болот; 2. Разработка способа оценки текущего состояния и динамики бугристых болот на основе комплексных геомоделей; 3. Реализация комплексного подхода к обработке данных на основе сопоставления пространственных геомоделей и их статистического анализа; 4. На новом научном и техническом уровне будут рассмотрены вопросы строения и динамики бугристых болот Кольского полуострова, впервые в регионе планируется выполнить комплексное обследование и картирование состояния мерзлоты на бугристых болотах с целью прогнозирования ее деградации под воздействием внешних факторов; 5. Развитие технологии мониторинга природных объектов чувствительных к глобальным климатическим изменениям в арктическом регионе и прогнозирование сценариев трансформаций и стратегий возможных адаптаций экосистем Арктики.

Ожидаемые результаты
Результаты, которые коллектив планирует получить по итогу реализации проекта, позволят оценить состояние мерзлоты бугристых болот Кольского полуострова, выявить динамику их изменения под воздействием природных и антропогенных факторов и определить необходимые параметры долговременного мониторинга в условиях глобальных изменений в Арктике, в том числе мониторинга с использованием комплексных геомоделей. Реализация проекта потребует решения трех основных групп задач, каждая из которых позволит получить фундаментальные научные результаты мирового уровня. Решение первой группы задач основано на лабораторном и численном моделировании и направлено на параметризацию составных элементов бугристых болот и позволит получить следующие результаты: 1. Обосновать диапазон характеристик и показателей, необходимых для достоверной типизации основных характеристик и моделирования процессов эволюции бугристых болот. 2. Определить вариативность электрофизических параметров торфа в зависимости от влажности, ботанического состава, содержания гумуса, степени промерзания. 3. Разработать математические электрофизические модели, отражающие характеристики бугристых болот, в том числе форму и льдистость мерзлого ядра отдельных бугров. 4. Исследовать алгоритмы цифровой обработки изображений для типизации площади бугристых болот по заданным атрибутам – типу растительности, вегетационному индексу, микрорельефу Решение второй группы задач будет основано на результатах полевых наблюдений на опорных площадях, включая сбор и обработку данных о строении и структуре бугристых болот, создание комплексных 2D и 3D геомоделей, что позволит получить следующие результаты: 1. Подобрать и апробировать оптимальный комплекс методик и параметры геофизической съемки, аэрофотометрии и лазерного сканирования на бугристых болотах, установить спектр применимости и необходимое разрешение получаемых моделей, определить оптимальные алгоритмы построения цифровых моделей бугристых болот и способы описания их внешней и внутренней пространственной структуры. 2. Разработать методику получения комплексных 2D и 3D геомоделей, отражающих пространственную структуру и внутреннее строение бугристых болот. 3. Установить влияние природных и антропогенных факторов, определяющих процессы трансформации и области уязвимости бугристых болот, как площадей распространения спорадической мерзлоты в субарктике. Третья группа задач сфокусирована на мониторинге состояния бугристых болот, что позволит: 1. Исследовать динамику изменений бугристых болот на Кольском полуострове и выявить пространственно-временные тенденции изменения их площади распространения и структуры микроландшафтов. 2. Определить основные направления влияния деградации мерзлоты бугристых болот на устойчивость экосистем и сохранение биоразнообразия, а также обратного воздействия сукцессии растительных сообществ на динамику болотных систем. Важным практическим результатом реализации проекта будет обоснование набора инструментов, диапазона характеристик и показателей, необходимых для изучения бугристых болот, как модельного объекта, маркирующего климатические изменения в Арктике, разработка принципов мониторинга их состояния дистанционными и геофизическими методами. В дальнейшем, результаты комплексного мониторинга динамики бугристых болот Кольского полуострова могут быть использованы для разработки сценариев глобальных климатических изменений и поиска превентивных стратегий адаптации экосистем. С точки зрения современного состояния методы и подходы предлагаемого проекта полностью соответствуют мировым тенденциям. Изучение динамики бугристых болот имеет важное научное значение, так как подобные формы рельефа мерзлых торфяных массивов в значительной степени подвержены климатическим изменениям (Mamet et al., 2017; Kolesnichenko et al., 2018; Olvmo et al., 2020; Fewster et al., 2020), особенно расположенные на южной границе криолитозоны (Пастухов и др., 2017; Шишконакова и др., 2019). На сегодняшний день для всей территории Фенноскандии (к которой относится и Кольской полуостров) отмечается сокращение площади бугристых болот в три раза (Luoto et al., 2004), и по существующим климатическим сценариям есть высокая вероятность их полного исчезновения к середине XXI века (Fronzek et al., 2010). Это несет угрозу устойчивому функционированию экосистем, нарушению динамического равновесия и снижению биоразнообразию в регионе. В связи с чем, в странах региона инициированы исследовательские проекты и развернуты национальные программы по организации мониторинга (Sannel et al., 2016; Olvmo et al., 2020). При решении задач мониторинга деградации вечной мерзлоты на современном уровне значительную роль играют неразрушающие методы контроля, включающие дистанционные зондирования, лазерную съемку, а также геофизические наблюдения (Emmert, Kneisel, 2021; Douglas et al., 2021), что также соответствует основной идее проекта. Отличительной особенностью предлагаемого проекта является использование геофизических методов для определения внутренней структуры мерзлых ядер в буграх пучения, а также метод временной рефлектометрии для определения связи электрофизических атрибутов со свойствами торфа. Еще одной важной чертой проекта служит детальное сопоставление геоботанических описаний с данными дистанционной съемки, так как на текущем этапе состояния вопроса существует проблема кластеризации снимков бугристых болот по типу растительности (Palace et al., 2018; Reese et al., 2021; de la Barreda-Bautista et al., 2022). В свете чего, можно сделать вывод, что предлагаемый проект реализует актуальные методы к изучению бугристых болот, адаптирует их к природной специфике и дополняет текущие климатические сценарии на территории Кольского полуострова, а по итогу предоставляет новые данные для модификации существующих глобальных моделей климатических изменений для Северной Европы.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По результатам реализации первого года проекта РНФ №22-77-10055 «Пространственно-временная динамика бугристых болот Кольского полуострова как маркер климатических изменений в Арктике» составлена новая база данных по бугристым болотам Кольского полуострова, включающая описание 52 отдельных объектов. Для каждого выделенного бугристого болота в базе приводятся координаты, тип, параметры бугров, толщина активного слоя, состав растительности, состав торфа. На основе полученных данных создана карта бугристых болот Кольского полуострова, которая показывает, что большая часть таких объектов расположена в известных границах спорадической мерзлоты. Совместное использование морфометрических и климатических признаков обеспечило изучение закономерности распределения бугристых болот. В результате кластеризации полученной базы данных было выделено и обосновано четыре пространственных кластера, для каждого из которого характерен особый набор признаков, влияющий на формирование и сохранение бугристых болот. Также выявлен ряд бугристых болот на побережье Белого моря, где природно-климатические условия не обеспечивают устойчивость мерзлоты. На примере бугристого болота в центральной части Кольского полуострова были проведены исследования, включающие наземные описания растительности и аэрофотосъемку, дополненные георадарной съемкой и методами машинного обучения, с целью кластеризации поверхности и анализа закономерностей растительного покрова и морфоскульптуры отдельных бугров морозного пучения в зависимости от состояния мерзлоты. Полученные данные показали важность морфометрических предикторов для машинного обучения при кластеризации поверхности, так как они повышают достоверность алгоритмов определения ландшафтных классов. Установлена корреляция между ландшафтными характеристиками и внутренним строением бугров. При этом полученные георадарные данные показали, что внутренняя мерзлота может быть не регулярной и не всегда повторять внешний контур. Выявленное ассиметричное расположение мерзлоты в отдельных буграх корреспондирует с участками повышенного накопления снега зимой на их подветренной стороне. Исходя из анализа толщины активного слоя, было получено свидетельство неоднозначности его толщины как предиктора состояния мерзлоты. Таким образом, разработка сценариев деградации мерзлоты бугристых болот должна проводиться с учетом точной оценки текущих контуров мерзлоты, ее положения относительно морфологии поверхности, а также возможностью быстрого коллапса. Результаты исследований представлены в специальном выпуске журнала "Remote Sensing", посвященном изучению болотных экосистем дистанционными методами (https://www.mdpi.com/2072-4292/15/7/1896). В рамках проекта проведено математическое моделирование волнового поля георадиолокации для активного слоя на буграх морозного пучения. Были выявлены значимые изменения максимальных амплитуд георадарного сигнала с тенденцией к увеличению при росте количества слоев модели. Сопоставление синтетических данных и полевых радарограмм показало наибольшее сходство реальных наблюдений с многослойной моделью торфяника. Это подтверждает чувствительность георадиолокации к внутренним скоростным неоднородностям активного слоя торфа, которые связаны как с влажностью и плотностью, так и температурой. В результате можно предположить существование предпосылок для мониторинга влажности и температуры активного слоя, связанных с таянием мерзлоты, исходя из анализа динамических параметров георадарного сигнала. Кроме того, выполнено детальное изучение толщи торфа по шурфам и скважинам на бугристых болотах методом временной рефлектометрии, в результате чего обнаружена значительная неоднородность электрофизических параметров торфа. Анализ возможных причин выявленной вариативности показал, что в зависимости от влажности его комплексная диэлектрическая проницаемость может меняться более чем в пять раз, при этом изменения свойств могут происходить достаточно резко, в пределах тонких слоев. Также по итогу лабораторного изучения электрофизических свойств влажного торфа в цикле заморозка-разморозка установлен эффект теплового гистерезиса, который связан с фазовым состоянием поровой воды и в общем характерен для торфа.

 

Публикации

1. Крутских Н.В., Рязанцев П.А., Игнашов П.А., Кабонен А.В. The Spatial Analysis of Vegetation Cover and Permafrost Degradation for a Subarctic Palsa Mire Based on UAS Photogrammetry and GPR Data in the Kola Peninsula Remote Sensing, Remote Sens. 2023, 15(7), 1896 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/rs15071896

2. - ТАЯНИЕ МЕРЗЛОТЫ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ ПРИЗНАЛИ ИНДИКАТОРОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ Информационный портал "Научная Россия", - (год публикации - )

3. - Таяние мерзлоты на Кольском признали индикатором климатических изменений Газета "Поиск", - (год публикации - )