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

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 проекта 22-77-10055

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

Руководитель Рязанцев 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

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 слова бугристые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам выполнения третьего этапа проекта РНФ № 22-77-10055 «Пространственно-временная динамика бугристых болот Кольского полуострова как маркер климатических изменений в Арктике» проведен детальный анализ морфологии и структуры бугров морозного пучения на Кольского полуострова и выявлена взаимосвязь этих параметров с устойчивостью мерзлоты и процессами деградации. Показано, что традиционные подходы, основанные исключительно на средней толщине активного слоя, недостаточны для адекватного отражения состояния пальза, поскольку их активное таяние зачастую носит очаговый характер. Отмечена важность геопространственных данных для понимания процессов деградации и прогнозирования дальнейшего поведения мерзлоты бугристых болот. В дальнейшем такой подход может использоваться для создания цифровых двойников криогенных структур для решения мониторинговых задач. На основе вероятностной модели, полученной при помощи машинного обучения, выполнено прогнозирование потенциальных местоположений бугристых болот и построена новая карта их распространения для территории Кольского полуострова. С использованием новой вероятностной карты спрогнозирован возможный сдвиг южной границы криолитозоны на Кольском полуострове до 100 км в северо-восточном направлении, а также определены ключевые районы потенциального размещения будущих мониторинговых площадок на территории Кольского полуострова. Разработанный в рамках проекта мониторинговый комплекс «Арктика» успешно прошел испытания на бугристом болоте заповедника Пасвик, подтвердив эффективность автономного сбора данных в условиях субарктики. Кроме того, в рамках проекта выполнено обоснование возможность качественной оценки тепловых свойств торфа активного слоя при помощи метода георадиолокации. На примере бугристых болот Кольского полуострова проанализированы взаимосвязи и корреляции параметров торфа активного слоя и выполнен поиск отклика температурного градиента в атрибутах георадарных записей. Показано, что частотно-зависимые атрибуты могут маркировать температурный градиент в диапазоне за счет формирования дисперсных волноводов. Проанализированы перспективы применения георадара для мониторинга процессов замерзания-оттаивания и распределения влаги в мерзлых торфяниках. Изучены геохимических особенностей бугров пучения на примере бугров с территорий с разной степенью техногенной нагрузки. Установлено, что в торфе и воде мерзлоты происходит закрепление отдельных химических элементов, что связано с путями их миграции и связыванием органическим веществом. При этом четко определялась разница между антропогенно нарушенным и фоновым буграми. Полученные результаты доказывают существование геохимической спецификации бугров пучения и их способность накапливать отдельные химические элементы в зависимости от условий нахождения. Тогда как анализ углерода показал, что в мерзлом торфе его количественно больше на 10% в сравнении с торфом активного слоя. Однако в объемном выражении мерзлого торфа гораздо меньше, и это требует отдельных оценок при расчете пула углерода в северных торфяниках. На основании чего была выдвинута идея о использовании пальза в качестве геохимических прокси для оценки экологического состояния субарктических территорий, особенно в местах техногенной нагрузки. Результаты выполненных научных исследований по проекту демонстрируют высокую перспективность комплексного подхода к изучению бугристых болот, сочетающего разнообразные методы инструментального контроля и анализа данных, для выявления динамики природной среды и климатических сдвигов в субарктических регионах.

Публикации

1. Игнашов П.А., Рязанцев П.А., Кутенков С.А. Изучение феномена устойчивости бугристого болота на Мончегорской техногенной пустоши (Мурманская область) Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее / Материалы Седбмого международного полевого симпозиума. - Томск: Изд-во Томского Государственного университета, 2024. - 286 с., Игнашов П.А., Рязанцев П.А., Кутенков С.А. Изучение феномена устойчивости бугристого болота на Мончегорской техногенной пустоши (Мурманская область) / Материалы Седбмого международного полевого симпозиума "Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее" . - Томск: Изд-во Томского Государственного университета, 2024. С. 119-122. (год публикации - 2024)

2. Рязанцев П.А., Крутских Н.В. Прогноз динамики бугристых болот Кольского полуострова (Мурманская обл.) с использованием машинного обучения Проблемы криосферы Земли. Сборник тезисов, «Проблемы криосферы Земли». Сборник тезисов (год публикации - 2025)

3. Рязанцев П.А., Кабонен А.В. Программа мониторинга и визуализации динамических параметров субарктических торфяников Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Программа мониторинга и визуализации динамических параметров субарктических торфяников" №2025616942 (год публикации - 2025)

4. Кутенков С., Рязанцев П., Кожин М. Permafrost peat plateau on Sosnovets Island: the path of formation and long-term stability (the White Sea, NW Russia) The Holocene (год публикации - 2025)
10.1177/09596836251340827

5. Рязанцев П., Кутенков С., Кабонен А. Study of Subarctic Palsa Permafrost Under Various Thawing Conditions Based on Geophysical and Geospatial Models Permafrost and Periglacial Processes (год публикации - 2025)
10.1002/ppp.2276

6. Рязанцев П.А. Can Ground-Penetrating Radar Detect Thermal Gradients in the Active Layer of Frozen Peatlands? Remote Sensing, Ryazantsev, P. Can Ground-Penetrating Radar Detect Thermal Gradients in the Active Layer of Frozen Peatlands? Remote Sens. 2025, 17, 1805. https://doi.org/10.3390/rs17111805 (год публикации - 2025)
10.3390/rs17111805

Возможность практического использования результатов
Разработан новый модульный программно-аппаратный комплекс (ПАК) «Арктика». Годовые полевые испытания показали надежность и устойчивость на отказ выбранной конструкции модулей в сложных арктических метеоусловиях, что наряду с невысокой стоимостью комплектующих ПАК «Арктика» (порядка 150 тыс. руб.) делает его перспективным элементом развития локальных мониторинговых наблюдений арктических территорий.