Geografijos metraštis, Nr. 55-56, 2022-2023 | DOI: https://dx.doi.org/10.5200/GM.2023.4
Elzė Buslavičiūtė
Vilniaus universiteto Chemijos ir geomokslų fakulteto Geomokslų instituto Geografijos ir kraštotvarkos katedra / Vilnius University, Faculty of Chemistry and Geosciences, Institute of Geosciences, Department of Cartography and Geoinformatics
Įvadas
Arktinėse platumose temperatūrai kylant greičiau nei pasaulinis vidurkis, daugiamečio įšalo sezoninėje dinamikoje stebimi reikšmingi pokyčiai, tokie kaip paviršiaus slūgimo verčių didėjimas ir aktyvaus sluoksnio gilėjimas. Tirpstant daugiamečiui įšalui išskiriamos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, taip pat kyla gresmė vietinei infrastruktūrai, gyvenvietėms, todėl tirpimo dinamikos stebėjimas tampa vis aktualesnis. Tobulėjant nuotolinių tyrimų metodams ir augant duomenų prieinamumui sintetinės apertūros radaro interferometrija (InSAR) pritaikoma ne tik skaitmeninių reljefo modelių sudarymams,
bet ir lėtoms žemės paviršiaus deformacijoms stebėti.
Šio tyrimo metu naudojantis Sentinel-1 palydovo duomenimis analizuojami daugiamečio įšalo srityse vykstantys paviršiaus pokyčiai. Pasirinktos dvi – neištisinio ir ištisinio įšalo – teritorijos Norvegijos šiaurėje (Iškoras) ir Špicbergeno saloje (Longyearbyen). Siekiant analizuoti daugiametę paviršiaus kaitą teritorijos studijuojamos penkių metų periode (2017-2021 metais). Pasirinktas tyrimo metodas remiasi daugybinių interferogramų sudarymu, kai SAR vaizdų poras skiria kuo mažesnis teritorijos fiksavimo laiko tarpas ir atstumas tarp palydovo pozicijų yra kuo mažesnis, tai leidžia išlaikyti aukštą koreliaciją tarp vaizdų ir gauti patikimesnius rezultatus.
Gauti 2017-2021 paviršiaus aukščio kitimo duomenis rodo, kad Špicbergeno salos teritorija patiria didesnes paviršiaus deformacijas lyginant su neištisinio daugiamečio įšalo teritorija Norvegijos šiaurėje. Remiantis tuo, kad didesnio poringumo nuogulos gali kaupti didesnį kiekį vandens ir todėl patirti didesnius paviršiaus pokyčius, sezoninė paviršiaus dinamika analizuojama skirtingos litologijos taškuose. Iškoro teritorijoje didesnis slūgimas pastebimas pelkėtuose arealuose, kur formuojasi palsos, lyginant su Iškoro kalne esančiu amžinuoju įšalu, susiformavusiu moreninėse nuogulose. Tuo tarpu Longyearbyen teritorijoje didelių slūgimo skirtumų skirtinguose litologiniuose taškuose neužfiksuota. Nors tinkamo interferogramų tinklo sudarymas lėmė koreliacijos tarp vaizdų išlaikymą, tyrimo metu neatliktos atmosferos, fazės išrišimo klaidų korekcijos galėjo lemti duomenyse atsiradusias išskirtis ir teigiamų verčių atsiradimą ten, kur turėjo vykti slūgimo procesas.
Abstract
Covering around a quarter of the exposed land surface in the Northern Hemisphere (Zhang et al., 2008), permafrost has a vital impact on the sustainability of the Arctic and global ecosystems. Frozen soils are carbon sinks that hold around twice as much carbon as the atmosphere (Schuur et al., 2015). It is generally accepted that the Arctic is warming two or three times faster than the global average (Pithan & Mauritsen, 2014) and that permafrost temperatures have increased during the last three decades (Brown & Romanovsky, 2008; Vaughan et al., 2013). Due to these increasing temperatures, carbon dioxide (CO2), as well as methane (CH4), can be released and result in further strengthening of positive climate feedback (Biskaborn et al., 2019; Schuur et al., 2015; Schuur et al., 2009; van Huissteden & Dolman, 2012; Zimov et al., 2006). It is estimated that from 2020 to the end of the century, cumulative net C loss from the frozen soils could reach 4.18–10.00 kgC/m2 (Schuur et al., 2021). Around 50 to 90 percent of near-surface permafrost can be lost by the end of the century with devastating consequences (Chadburn et al., 2017; Nitze et al., 2018).
Groundwater flow and the physical surface and near-surface processes in sub-arctic topography and are largely determined by permafrost freezing and thawing dynamics (Walvoord & Kurylyk, 2016). Freeze-thaw cycles can also result in surface deformations, which are hazardous for settlements and infrastructure laid on once firm soils (Hjort et al., 2018, 2022; Nelson et al., 2001; Raynolds et al., 2014).
Groundwater flow and the physical surface and near-surface processes in sub-arctic topography and are largely determined by permafrost freezing and thawing dynamics (Walvoord & Kurylyk, 2016). Freeze-thaw cycles can also result in surface deformations, which are hazardous for settlements and infrastructure laid on once firm soils (Hjort et al., 2018, 2022; Nelson et al., 2001; Raynolds et al., 2014).
The relevance of the issues mentioned before determines that in recent years there has been considerable effort in the application of different remote sensing techniques to monitor permafrost degradation (Philipp et al., 2021). Optical, as well as thermal and microwave remote sensing has been used to monitor landslides (Hao et al., 2019; Kääb, 2002), pingos (Samsonov et al., 2016), patterned ground (Lousada et al., 2018), active layer thickness (Schaefer et al., 2015), greenhouse gas emissions (Curasi et al., 2016; Song et al., 2012) and other processes and characteristics connected to permafrost.
Many studies of permafrost degradation have been performed using InSAR interferometry. Because thawing ice-rich permafrost is one of the main natural causes of land subsidence (Kok & Costa, 2021), techniques, such as GNSS interferometric reflectometry (Zhang & Liu, 2021), Differential GPS (Little et al., 2003; Liu & Larson, 2018; J. Zhang et al., 2020) and Differential Interferometric SAR (D-InSAR) (e.g., Chen et al., 2020; Rykhus & Lu, 2008; Strozzi et al., 2018; Z. Wang & Li, 1999) have been used to monitor vertical surface deformations in permafrost areas.
Studies in this field focused mainly on Alaska (Chen et al., 2020; Liu et al., 2010; Rykhus & Lu, 2008; Wang & Li, 1999), Canada (Short et al., 2011; Wang et al., 2020) and Qinghai-Tibet Plateau (Chen et al., 2013; Chen et al., 2022; Daout et al., 2017; Wang et al., 2022; Wang et al., 2019; Zhang et al., 2019). Only a few authors chose Svalbard (Rouyet et al., 2019) or Greenland (Strozzi et al., 2018) for analysis of land subsidence due to permafrost thawing. To our knowledge, no multi-temporal studies have yet been performed in northern Norway lowlands, which is one of the focus areas in this study.
The majority of the mentioned studies used C-band SAR, with the exception of a few using L-band (Abe et al., 2020). Sentinel-1, used in this study, carries a C-band SAR instrument. Its high temporal resolution of 6 to 12 days has been acknowledged as a major advantage in monitoring permafrost dynamics (e.g., Rouyet et al., 2019; Strozzi et al., 2018; Zhang et al., 2019).
Our study aims to analyze surface deformation patterns in continuous and discontinuous permafrost areas using InSAR remote sensing technique. This study has the following tasks: 1) to create seasonal surface subsidence maps and databases using high temporal frequency interferometric data, 2) to evaluate surface subsidence trends over different sediment areas, 3) to compare coherence values over two study areas.