СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ В СУБАРКТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ
ДИСТАНЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЧИСЛА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО РАЗМЕРАМ МАЛЫХ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР КРИОЛИТОЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ, 2015 © 2015 г. Ю. М. Полищук1, 2, *, Н. А. Брыксина3, В. Ю. Полищук2, 4
1 Томский государственный университет, Томск 2Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий,
Ханты-Мансийск 3Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград 4Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск * E-mail: yupolishchuk@gmail.com Поступила в редакцию 25.04.2014 г.
Изучены закономерности изменения численности термокарстовых озер криолитозоны Западной Сибири с использованием разновременных космических снимков. Исследования проведены на 33 тестовых участках, выбранных в разных ландшафтных зонах исследуемой территории, с использованием 134 безоблачных снимков Landsat, полученных в теплые месяцы в период 1973—2013 гг. Показано, что общее число образовавшихся озер значительно (почти в 20 раз) превышает число исчезнувших озер. Площади новых образовавшихся термокарстовых озер в среднем в 22 раза меньше, чем размеры исчезающих озер. Поэтому можно предполагать, что наблюдаемый в условиях глобального потепления климата бурный рост числа малых термокарстовых озер будет приводить к повышению уровня эмиссии метана в зонах мерзлоты на арктических территориях. Представлены результаты дистанционного исследования статистического распределения малых термокарстовых озер по их площадям. Исследования выполнены на восьми тестовых участках, выбранных в разных зонах мерзлоты Западной Сибири. Площади малых озер определялись по космическим снимкам сверхвысокого разрешения QuickBird. Показано, что гистограммы распределения озер по площадям допускают их аппроксимацию степенными и экспоненциальными функциями, что может быть использовано при моделировании и прогнозировании динамики термокарстовой эмиссии метана в зонах многолетней мерзлоты.
Ключевые слова: термокарстовые озера, глобальное потепление, космические снимки, многолетняя мерзлота, Западная Сибирь, площади озер
DOI: 10.7868/S0205961415030100
ВВЕДЕНИЕ
Наблюдающееся в последние десятилетия глобальное потепление климата, наиболее явно проявляющееся в северных широтах планеты, ускоряет деградацию многолетней мерзлоты. Связанные с этим изменения многолетнемерзлых пород проявляются в увеличении глубины сезонного протаивания, что сопровождается снижением прочности многолетнемерзлых грунтов и нарушением объектов инфраструктуры. Мерзлота, являясь хранилищем законсервированного углерода в обширных мерзлых торфяных болотах Сибири и в некоторых частях Северной Америки, при потеплении климата может стать источником возникновения еще большего потепления при высвобождении парниковых газов (Zimov et al., 1997; Hinkel et al., 2003). Углерод в настоящее время находится в связанном состоянии как органи-
ческое вещество в слое многолетней мерзлоты на большей части Арктики. Потепление климата может создать положительную обратную связь, при которой более сильное потепление будет приводить к дополнительному высвобождению парниковых газов, что вызовет еще большее потепление.
В связи с этим в последние время проводятся обширные наблюдения за ростом концентрации парниковых газов в атмосфере. На полярных орбитах действуют несколько подходящих для мониторинга парниковых газов спутников, оснащенных инфракрасными (ИК) спектрометрами высокого разрешения, например, спутники Aqua и Aura (NASA, США), Envisat (Европейское космическое агентство) и др. (Beer et al., 2001; Burrows et al., 1995; Parkinson, 2003). Регистрируемые ими ИК-спектры атмосферы несут информацию о содержании различных парниковых газов в ат-
мосфере, для успешного извлечения которой из спутниковых спектров для задач мониторинга парниковых газов и прогнозирования климатических изменений необходимо использовать данные подспутниковых наблюдений за источниками парниковых газов на поверхности Земли.
Среди парниковых газов метан является важным в климатической системе, определяющим фотохимию атмосферы: по величине прямого потенциала глобального потепления он, по данным (Кароль, 1996), превышает углекислый газ. В качестве основных источников эмиссии метана на северных территориях рассматриваются болота и переувлажненные ландшафты, термокарстовые озерные равнины, подводные метангидраты шельфовых морей и крупных водоемов в зоне многолетней мерзлоты и др. По оценкам (Жилиба и др., 2011), четверть мирового объема метана сосредоточена в Западной Сибири, значительную часть территории которой занимают своеобразные болотно-озерные ландшафты с бесчисленным множеством озер разных размеров и возраста. Поля термокарстовых озер наиболее чувствительны к росту приземной температуры воздуха, что делает их удобными геоморфологическими индикаторами глобального потепления в дистанционных исследованиях.
Согласно (Pokrovsky et al., 2011), наиболее активным источником эмиссии метана в арктических и субарктических районах являются малые термокарстовые озера с площадью менее 0.02— 0.05 га, что связано с активной термокарстовой эрозией береговых границ, увеличивающей эмиссию метана (Walter et al., 2007). Образование термокарстовых водоемов и депрессий в связи с деградацией многолетней мерзлоты в условиях глобального потепления последних десятилетий наблюдается на Аляске, в Канаде, Европе (Luoto, Seppala, 2003; Riordan et al., 2002; Zuidhoff, Kol-strup, 2000; Grosse et al., 2008), значительную долю которых занимают малые термокарстовые озера. Из-за своих малых размеров такие озера, как правило, не учитываются в прогнозных оценках вклада метана в общий парниковый эффект. В (Кирпотин и др., 2008) показано аналогично, что таяние мерзлоты в условиях потепления климата приводит к ускорению термокарстовых процессов и изменению площадей озер в зоне мерзлоты Западной Сибири. Однако публикаций, посвященных вопросам изменения количества термокарстовых озер в зоне мерзлоты, крайне мало.
В связи с изложенным выше дистанционное исследование динамики численности термокарстовых озер и изучение закономерностей распределения озер по их площадям в зоне мерзлоты на арктических территориях вызывает значительный интерес. В (Полищук, Полищук, 2011, 2013; Polishchuk, Polishchuk, 2014) изучены законы рас-
пределения термокарстовых озер с большими площадями водного зеркала (более 1 га) по данным дистанционного зондирования (ДДЗ), полученным по космическим снимкам среднего разрешения Landsat. Однако вопрос о распределении малых озер по их площадям изучен в настоящее время недостаточно. В (Grosse et al., 2008) приведены примеры гистограмм распределения малых озер по площадям на трех исследованных участках в различных арктических регионах, однако ввиду ограниченности объемов приведенного в указанной работе эмпирического материала законы распределения озер по размерам не изучены. В связи с изложенным выше целью настоящей работы является дистанционное исследование изменений численности термокарстовых озер и закономерностей распределения по площадям малых озер на территории термокарстовых равнин в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири.
ИЗМЕНЕНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР
Рассмотрим методические вопросы дистанционных исследований изменений числа исчезнувших и образовавшихся озер в зависимости от географической широты и ландшафтного зонирования территории мерзлоты Западной Сибири. В исследованиях использовались методы тестовых участков и разновременных космических снимков. Для проведения этих исследований на территории криолитозоны Западной Сибири было выбрано 33 тестовых участка. Их выбор проводился с учетом специфики зонально-геокриологической и ландшафтной дифференциации территории на основе материалов (Атлас СССР, 1984; Атлас Тюменской области, 1971). В каждой подзоне многолетней мерзлоты выбиралось по нескольку тестовых участков, что позволяет исследовать динамику численности термокарстовых озер в зависимости от геокриологического и ландшафтного зонирования территории. Представленная на рис. 1 карта-схема размещения тестовых участков (ТУ) по подзонам многолетней мерзлоты Западной Сибири показывает, что выбранные тестовые участки достаточно равномерно распределены по территории исследований: от восьми участков в подзоне островной мерзлоты до 12 и 13 — в подзонах прерывистой и сплошной мерзлоты соответственно.
Для обоснования ландшафтной однородности территорий исследованных тестовых участков при формировании выборочных совокупностей термокарстовых озер проводилось сопоставление взаиморасположения выбранных участков и ландшафтных зон на исследуемой территории с использованием ландшафтной карты Западной Сибири (Атлас Тюменской области, 1971). Ре-
0 7
2
чо
0 7
0 ^
0 0ПП □ и
ХАНТЫ-МАНСИЙСКИЙ АО. LÜ
2
чо
67°Е
80°E
Рис. 1. Карта-схема геокриологического зонирования многолетней мерзлоты на территории Западной Сибири с обозначенными границами тестовых участков.
зультаты этого сопоставления показали, что тестовые участки распределены по различным ландшафтным зонам следующим образом: в тундровой зоне (арктическая и субарктическая тундры) — 13, в лесотундре — 6, в таежной зоне — 14. Следовательно, достаточно равномерное расположение участков в пределах определенных ландшафтных зон может служить обоснованием однородности выборочных совокупностей озер по различным подзонам мерзлоты, что является важным обстоятельством для интерпретации полученных результатов дистанционных исследований изменений численности термокарстовых озер.
Для проведения дистанционных исследований всего было отобрано 134 безоблачных разновременных снимков Landsat, полученных в теплые месяцы в период 1973—2013 гг. на территорию исследований в Западной Сибири. Все снимки, отобранные из общедоступного архива "Global Land Cover Facility", относятся к уровню обработки 1T, включающему радиометрическую и геометрическую коррекцию с использованием цифровых моделей рельефа. Включенные в коллекцию снимки Landsat имеют географическую привязку в проекции UTM (WGS-84). По времени съемки большинство использованных косми
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.