2019-02-15 05:50:02
微小的卫星揭示了数千个北方湖泊的水动态

研究人员利用一支小型卫星军队表明,加拿大北部和阿拉斯加北部小湖泊的水位在夏季比以前认为的要大得多。发表在“地球物理研究快报”上的研究结果可能会影响科学家如何计算这些北方湖泊的天然温室气体排放。

该研究使用了超过150个CubeSat小型卫星网络拍摄的关于鞋盒大小的图像 - 这些图像几乎每天都在2017年夏天对超过85,000个小型北美湖泊进行观测。这些图像使研究人员能够看到湖泊随着时间而变化。他们发现个别湖泊的海岸线变化很小但很明显,在整个研究区域增加了数百平方公里的湖泊面积。

“有很多关于湖区气候变化的研究,但它主要集中在长期变化上,”博士Sarah Cooley说。布朗大学的学生和该研究的主要作者。 “这是第一次有人观察到细微的短期变化,我们发现一个季节内的变化比预期的要多得多。”

该研究区捕获了大片的北极苔原和北方森林,这是一个生物群落,在北纬约50至70度的一个带中环绕地球的北半球。该地区是关键森林和苔原生态系统以及地球密度最高的湖泊的所在地,因此了解其水文学在科学上具有重要意义。其中一个原因是北方湖泊是天然温室气体排放的重要来源。他们的沉积物含有大量的有机碳,从周围的景观中洗去。然后,一些碳会分解,并以二氧化碳和甲烷温室气体的形式排放到大气中。

研究人员表示,夏季海岸线剧烈波动的这一新发现对科学家如何计算这些排放量具有重要意义。这是因为水源在季节之间逐渐消退和流动的海岸线区域是温室气体产生和排放的已知热点。但是,对湖泊排放的估计通常假设海岸线在每个季节内都是稳定的。研究人员表示,季节内海岸线波动令人惊讶的结果表明,目前北方湖泊的排放模型可能被低估了。

“波动的海岸线将比稳定的海岸线排放更多的碳,”库利说。 “这些短期波动,以前没有人曾经描绘过,表明这些湖泊可能比人们想象的更多地排放天然气。”

令研究小组感到惊讶的另一个发现是海岸线波动对加拿大中部古老的加拿大盾构的巨大整体重要性,加拿大中部是一个岩石湿润的景观,数百万个小湖泊覆盖了20%的景观。

“之前的研究认为该地区的湖泊相对稳定,”该研究的共同作者,美国宇航局北极 - 北方脆弱性实验的项目负责人劳伦斯·C·史密斯说。 “令我们惊讶的是,CubeSats提供的高分辨率,高频成像显示,这个湖泊丰富地区的小海岸线波动总和令人印象深刻。”

总的来说,该研究探索了北美北极和亚北极地区的四个子区域,发现研究较少的加拿大盾构是最具活力的,其中约1.4%的景观季节性地被湖水位的小波动所淹没。

大数据,小型卫星

Cooley说,这项研究的另一个要点是,它展示了CubeSat获取大型卫星无法收集的数据的强大功能。

“从科学的角度来看,我最为兴奋的是能够利用这个新的CubeSat图像,”Cooley说。 “如果没有CubeSats,我们无法做出这些观察,我们在这里展示了从这些图像中提取有价值的科学信息的可能性。”

装有敏感科学仪器的大型航天机构卫星可以收集各种信息,但只是没有足够的开销通道来捕捉短时间内发生的变化。每天通过的卫星缺乏摄像机分辨率,无法对湖区进行精细观测。

最近由一家名为Planet的公司推出的CubeSats提供了一种潜在的解决方案。该公司运营着150多颗卫星,这些卫星围绕地球运行,使得它们能够在行星在它们下方旋转时每天对地球的整个陆地进行成像。虽然微小的卫星缺乏先进的科学设备,但他们确实拥有能够捕获3米分辨率图像的高功率相机。

但Cooley说,CubeSat数据带来了一些独特的挑战。例如,来自CubeSat的位置数据往往不如空间机构卫星那样精确。并且CubeSat图像缺少过滤器,使其更易于分析。对NASA或欧洲航天局(ESA)的卫星数据进行过滤,以消除在阴天或其他低质量图像上拍摄的图像。

所以Cooley必须设计自己的系统来弥补这些问题。在研究中,她训练了一种机器学习算法来发现异常数据模式并将其丢弃。例如,湖泊在一天中突然消失但几天后才能返回观察的情况很可能是由于云层覆盖或毛刺观察,而不是实际的湖泊消失。该算法可以标记这些实例并将其从数据中删除。

使用该算法,Cooley和她的同事们能够筛选出更多25TB的CubeSat数据。 Cooley说,她预计未来几年CubeSats将会有更多有趣的地球科学发现。

“我认为这是遥感新时期的开始,因为这些小而简单的卫星突然发生了以前可能无法实现的各种地球观测,”库利说。

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