Красноярские ученые провели детальную классификацию ландшафтов в зоне вечной мерзлоты и выявили значительные изменения, спровоцированные климатическими изменениями и антропогенным воздействием в районе Норильска. Анализ спутниковых данных и результатов полевых работ показал, как оттаивает мерзлота, исчезает растительный слой и разрушается почвенный покров – процессы, способные повлиять на стабильность арктической экосистемы и инфраструктуры региона. Материалы исследования были опубликованы в журнале Актуальные вызовы, стоящие перед современным дистанционным зондированием Земли с использованием космических аппаратов.
Интенсивное освоение Арктики в сочетании с изменением климата оказывает разрушительное воздействие на окружающую среду и меняет ландшафты в районах, где распространена многолетняя мерзлота. В первую очередь, страдает верхний слой органической почвы, который в нормальных условиях сохраняет холод и предохраняет мерзлоту от перегрева. Это приводит к ускорению таяния мерзлых грунтов и увеличению глубины сезонного протаивания. Арктические экосистемы крайне восприимчивы к подобным изменениям, их восстановление занимает продолжительное время и сопряжено с цепной реакцией нарушений. Отслеживание этих процессов необходимо для оценки стабильности экосистем, расположенных в зоне мерзлоты. Это важно для определения рисков, связанных с деградацией мерзлоты и изменением гидрологических условий в почвах, что влияет на сохранность как инфраструктуры, так и биологического разнообразия в Арктике.
В районе Норильска ученые Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук осуществили масштабное исследование. Используя данные со спутников, эксперты впервые провели классификацию северных ландшафтов и определили признаки двух противоположных состояний: участков, где растительность, почва и мерзлота сохранились практически в неизменном виде, и территорий, подвергшихся существенному воздействию промышленной деятельности.
Районы исследований находились в пределах 50 километров от Норильска и включали всю территорию Норильского промышленного района. Для изучения изменений ландшафта и воздействия на мерзлотные почвы в условиях промышленной деятельности, исследователи использовали многолетние данные со спутников, дополненные измерениями, проведенными непосредственно на местности, температуры и глубины протаивания почвы. Сочетание спутникового мониторинга и полевых наблюдений позволяет отслеживать как естественные, так и вызванные деятельностью человека процессы, оценивать современное состояние ландшафтов и предсказывать их будущие изменения. Полученные сведения имеют значение не только для научных исследований, но и для разработки планов освоения северных территорий.
Анализ двух основных спектральных показателей – вегетационного индекса, характеризующего состояние растительности, и температурного индекса поверхности земли – позволил исследователям сделать вывод о возможности оценки степени преобразования ландшафта по их значениям и изменениям во времени. Кроме того, таким образом можно судить о степени нарушения почвенного покрова, об изменении температуры поверхности и почвенного профиля, а также о глубине сезонного протаивания. Это имеет особое значение для арктических регионов, где необходим мониторинг природных экосистем, чувствительных к внешним воздействиям и характеризующихся крайне медленным формированием и восстановлением. Эта задача становится более актуальной в связи с недавним поручения президента о создании центра по изучению вечной мерзлоты .
Ученые зафиксировали выраженные признаки деградации ландшафтов в районах, подверженных многолетней мерзлоте на севере Красноярского края. Степень этих изменений определялась уровнем промышленного воздействия. При высокой промышленной нагрузке отмечались аномально низкие показатели вегетационного индекса, свидетельствующие о существенной редукции растительного покрова. Температурный индекс также значительно отличался от нормальных значений. Снижение теплоизоляционных свойств почвы приводит к перераспределению тепловой энергии и вызывает необычно глубокое протаивание в течение теплого периода года. Замеченные изменения – возникновение провалов, оседание поверхности, интенсификация таяния мерзлоты и утрата растительности – говорят о серьезной перестройке ландшафтов. В большинстве случаев причиной этого выступает деградация верхнего слоя почвы, выполняющего важнейшую функцию по защите многолетней мерзлоты от разрушения.
Наблюдения, проведенные непосредственно на исследуемых территориях, совпали с предварительными заключениями, полученными с использованием спутниковых данных. Установлено, что на участках, подвергшихся нарушению, глубина сезонного протаивания почвы летом была в 1,5–2 раза больше, чем на нетронутых территориях.
«Негативное воздействие человека на окружающую среду усиливается из-за происходящих в данном районе климатических изменений. По данным метеорологических станций, в районе Таймыра зафиксирована 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, ведущий 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.