Мониторинг арктической вечной мерзлоты с помощью спутников, суперкомпьютеров и глубокого обучения

Вечная мерзлота — грунт, который остается постоянно промерзшим в течение двух и более лет — покрывает около 15% территории Северного полушария. Она играет ключевую роль в климатической системе, выступая как огромный резервуар углерода, который хранится в виде метана и углекислого газа. Однако внутренние характеристики и изменчивая природа вечной мерзлоты изучены недостаточно. По мере глобального потепления и таяния грунта ожидается ускорение цикла углерода в мерзлоте и выброс парниковых газов в атмосферу, что создаст петлю положительной обратной связи, усугубляющую изменение климата.

Дистанционное зондирование — один из способов получить представление о масштабах, динамике и изменениях вечной мерзлоты. За последние два десятилетия большая часть Арктики была с высокой точностью картирована коммерческими спутниками, создав огромный архив данных. При поддержке Национального научного фонда США (NSF) в рамках программы «Навигация по новой Арктике» междисциплинарная группа ученых под руководством Чанди Витараны (Университет Коннектикута) использует методы искусственного интеллекта для обработки более 1 миллиона спутниковых снимков Арктики. Ключевым объектом изучения являются ледяные жилы, которые образуют на снимках узнаваемые полигоны и могут служить индикаторами состояния мерзлоты.

«Форма и размеры полигонов ледяных жил могут дать важную информацию о статусе и скорости изменений в регионе», — говорит арктический исследователь Анна Лилжедал из Woodwell Climate Research Center. Ученые вручную аннотировали 50 000 полигонов, классифицируя их как низкоцентровые (с водоемом в центре) или высокоцентровые (напоминающие кексы, что свидетельствует о таянии жилы), а затем обучили нейронную сеть для их автоматического распознавания. Точность модели достигла 80–90%. Используя суперкомпьютеры, такие как Longhorn в TACC и Bridges-2 через среду XSEDE, команда к концу 2021 года идентифицировала и нанесла на карту 1,2 миллиарда полигонов ледяных жил. Полученные данные станут доступны для анализа на новом портале Permafrost Discovery Gateway, что позволит отслеживать изменения в вечной мерзлоте почти в реальном времени и лучше понимать их последствия для инфраструктуры и климата.