Små satellitter afslører vanddynamik i tusinder af nordlige søer

Ved hjælp af en hær af små satellitter, forskere har vist, at vandstanden i små søer på tværs af det nordlige Canada og Alaska er langt mere varierende i løbet af sommeren end tidligere antaget. Fundene, udgivet i Geofysiske forskningsbreve , kunne have konsekvenser for, hvordan forskere beregner de naturlige drivhusgasemissioner fra disse nordlige søer.

Undersøgelsen brugte billeder taget af et netværk af mere end 150 CubeSats - små satellitter på størrelse med skoæsker - som gjorde næsten daglige observationer af mere end 85, 000 små nordamerikanske søer i løbet af sommeren 2017. Billederne gjorde det muligt for forskerne at se, hvordan søerne ændrede sig over tid. De fandt små, men betydelige kystlinjeændringer i individuelle søer, der tilføjede op til hundredvis af kvadratkilometer søarealændring på tværs af undersøgelsesregionen.

"Der har været meget forskning om klimadrevne ændringer i søområdet, men det er hovedsageligt fokuseret på langsigtede ændringer, " sagde Sarah Cooley, en ph.d. studerende ved Brown University og undersøgelsens hovedforfatter. "Det er første gang, nogen har set på finskala, ændringer på kort sigt, og vi fandt ud af, at der er meget mere variation inden for en sæson end forventet. "

Undersøgelsesområdet fanger et betydeligt skår af arktisk tundra og boreal skov, et biom, der kredser om Jordens nordlige halvkugle i et bånd fra omkring 50 til 70 grader nordlig bredde. Regionen er hjemsted for kritiske skov- og tundraøkosystemer samt planetens højeste tæthed af søer, så det er videnskabeligt vigtigt at forstå dens hydrologi. En grund til det er, at boreale søer er en væsentlig kilde til naturlige drivhusgasemissioner. Deres sedimenter indeholder tonsvis af organisk kulstof, som skyller ind fra det omkringliggende landskab. Noget af det kulstof nedbrydes derefter, og det udsendes til atmosfæren i form af kuldioxid og metan drivhusgasser.

Denne nye opdagelse af betydelige udsving i sommerkysten har konsekvenser for, hvordan forskere beregner disse emissioner, siger forskerne. Det skyldes, at kystområder, hvor vandet ebber og flyder fra sæson til sæson, er kendte hotspots for drivhusgasproduktion og -emission. Men skøn over søemissioner antager generelt, at kystlinjer er stabile inden for hver sæson. Fundet af overraskende kystlinjeudsving inden for sæsonen, siger forskerne, tyder på, at nuværende emissionsmodeller fra boreale søer kan være undervurderet.

"En kystlinje, der svinger, kommer til at udlede mere kulstof end en stabil kystlinje, "Cooley sagde." Disse kortsigtede udsving, som ingen nogensinde havde kortlagt før, tyder på, at disse søer potentielt udsender mere gas, end folk troede."

Et andet fund, der overraskede forskerholdet, var den store overordnede betydning af kystlinjeudsving på det gamle canadiske skjold, en stenet, vådt landskab i det centrale Canada, hvor millioner af små søer dækker 20 procent af landskabet.

"Tidligere undersøgelser antog søer i dette område for at være relativt stabile, "sagde Laurence C. Smith, en medforfatter af undersøgelsen og projektleder for NASAs arktisk-boreale sårbarhedseksperiment, som var med til at finansiere undersøgelsen. "Til vores overraskelse, den høje opløsning, højfrekvent billeddannelse, der tilbydes af CubeSats, afslørede, at små kystlinjeudsving i dette sørige område summerer til imponerende store tal."

I alt, undersøgelsen udforskede fire underområder af det nordamerikanske arktiske og subarktiske område og fandt, at det lidt undersøgte canadiske skjold var mest dynamisk af alle, med omkring 1,4 procent af sit landskab sæsonmæssigt oversvømmet af små udsving i søniveauer.

Big data, små satellitter

Endnu en takeaway fra studiet, Cooley siger, er, at det viser CubeSats magt til at indhente data, som større satellitter ikke kan indsamle.

"Det, jeg er mest begejstret for fra et videnskabeligt perspektiv, er evnen til at gøre brug af dette nye CubeSat-billede, " sagde Cooley. "Vi kunne ikke have lavet disse observationer uden CubeSats, og her viser vi, at det er muligt at udtrække værdifuld videnskabelig information fra disse billeder."

Store rumfartssatellitter med følsomme videnskabelige instrumenter kan samle alle slags informationer, men lav simpelthen ikke nok overheadpas til at fange ændringer, der sker over korte perioder. Og de satellitter, der dagligt går forbi, mangler kameraopløsningen til at foretage fine observationer af søområdet.

CubeSats, for nylig lanceret af et firma kaldet Planet, tilbudt en potentiel løsning. Virksomheden driver mere end 150 satellitter, som kredser om Jorden i et arrangement, der gør dem i stand til at afbilde hele Jordens landmasse hver dag, mens planeten roterer under dem. Og mens de små satellitter mangler sofistikeret videnskabeligt udstyr, de har kraftige kameraer, der er i stand til at tage billeder med en opløsning på 3 meter.

Men CubeSat-dataene giver nogle unikke udfordringer, siger Cooley. For eksempel, placeringsdataene fra CubeSats plejer ikke at være så præcise som dem fra rumfarts-satellitter. Og CubeSat-billederne mangler filtre, der gør dem nemmere at analysere. NASA eller European Space Agency (ESA) satellitdata filtreres for at eliminere billeder taget på overskyede dage eller andre billeder af lav kvalitet.

Så Cooley måtte designe sit eget system for at kompensere for disse problemer. Til studiet, hun trænede en maskinlæringsalgoritme til at opdage unormale datamønstre og smide dem væk. For eksempel, tilfælde, hvor en sø pludselig forsvinder på en dag for kun at vende tilbage til visning et par dage senere, skyldes sandsynligvis skydekke eller fejlfrie observationer, ikke en egentlig søforsvinden. Algoritmen kunne markere sådanne forekomster og fjerne dem fra dataene.

Ved at bruge den algoritme, Cooley og hendes kolleger var i stand til at sigte gennem mere 25 terabyte CubeSat -data. Cooley siger, at hun forventer, at der kommer flere interessante geovidenskabelige resultater fra CubeSats i de kommende år.

"Jeg ser dette som begyndelsen på en ny periode inden for fjernmåling, i, at pludselig alle mulige jordobservationer, som måske ikke har været mulige før, bliver mulige med disse små, simple satellitter, "Sagde Cooley.