Met behulp van een leger van kleine satellieten, onderzoekers hebben aangetoond dat de waterstanden in kleine meren in het noorden van Canada en Alaska in de zomer veel variabeler zijn dan eerder werd gedacht. De bevindingen, gepubliceerd in Geofysische onderzoeksbrieven , zou implicaties kunnen hebben voor de manier waarop wetenschappers de natuurlijke uitstoot van broeikasgassen van deze noordelijke meren berekenen.

Het onderzoek maakte gebruik van beelden die zijn gemaakt door een netwerk van meer dan 150 CubeSats - kleine satellieten ter grootte van schoenendozen - die bijna dagelijks waarnemingen deden van meer dan 85, 000 kleine Noord-Amerikaanse meren in de zomer van 2017. Op de beelden konden de onderzoekers zien hoe de meren in de loop van de tijd veranderden. Ze vonden kleine maar significante veranderingen in de kustlijn in individuele meren die optellen tot honderden vierkante kilometers verandering in het merengebied in het hele studiegebied.

"Er is veel onderzoek gedaan naar klimaatgestuurde veranderingen in het merengebied, maar het is vooral gericht op veranderingen op de lange termijn, " zei Sarah Cooley, een doctoraat student aan de Brown University en de hoofdauteur van de studie. "Dit is de eerste keer dat iemand naar kleinschalige, veranderingen op korte termijn, en we ontdekten dat er binnen een seizoen veel meer variabiliteit is dan verwacht."

Het studiegebied omvat een aanzienlijk deel van Arctische toendra en boreale bossen, een bioom dat het noordelijk halfrond van de aarde omcirkelt in een band van ongeveer 50 tot 70 graden noorderbreedte. De regio herbergt kritieke bos- en toendra-ecosystemen, evenals de hoogste dichtheid aan meren ter wereld, dus het is wetenschappelijk belangrijk om de hydrologie ervan te begrijpen. Een reden daarvoor is dat boreale meren een belangrijke bron van natuurlijke broeikasgasemissies zijn. Hun sedimenten bevatten tonnen organische koolstof, die inspoelt uit het omringende landschap. Een deel van die koolstof ontleedt vervolgens en het wordt uitgestoten in de atmosfeer in de vorm van koolstofdioxide en methaanbroeikasgassen.

Deze nieuwe bevinding van aanzienlijke kustfluctuaties in de zomer heeft gevolgen voor de manier waarop wetenschappers deze emissies berekenen, zeggen de onderzoekers. Dat komt omdat kustgebieden waar water van seizoen tot seizoen eb en vloed, bekende hotspots zijn voor de productie en uitstoot van broeikasgassen. Maar schattingen van de emissies van meren gaan er over het algemeen van uit dat kustlijnen binnen elk seizoen stabiel zijn. De vondst van verrassende kustlijnfluctuaties binnen het seizoen, zeggen de onderzoekers, suggereert dat de huidige emissiemodellen van boreale meren mogelijk worden onderschat.

"Een kustlijn die fluctueert, zal meer koolstof uitstoten dan een stabiele kustlijn, ' zei Cooley. 'Deze kortetermijnfluctuaties, die niemand ooit eerder in kaart had gebracht, suggereren dat deze meren mogelijk meer gas uitstoten dan mensen dachten."

Een andere bevinding die het onderzoeksteam verraste, was het grote algemene belang van kustlijnfluctuaties op het oude Canadese schild, een rotsachtige, nat landschap in centraal Canada, waar miljoenen kleine meren 20 procent van het landschap bedekken.

"Eerdere studies gingen ervan uit dat meren in dit gebied relatief stabiel waren, " zei Laurence C. Smith, een co-auteur van de studie en projectleider voor NASA's Arctic-Boreal Vulnerability Experiment, die hielpen de studie te financieren. "Tot onze verbazing de hoge resolutie, Hoogfrequente beeldvorming door CubeSats onthulde dat kleine kustfluctuaties in dit meerrijke gebied indrukwekkend grote aantallen opleveren."

In alles, de studie onderzocht vier deelgebieden van het Noord-Amerikaanse Noordpoolgebied en het subarctische gebied en vond het weinig bestudeerde Canadese schild het meest dynamisch van allemaal, met ongeveer 1,4 procent van het landschap dat seizoensgebonden wordt overspoeld door kleine schommelingen in het peil van het meer.

Grote gegevens, kleine satellieten

Nog een afhaalmaaltijd uit de studie, Cooley zegt, is dat het de kracht van CubeSats laat zien om gegevens te verzamelen die grotere satellieten niet kunnen verzamelen.

"Waar ik vanuit wetenschappelijk oogpunt het meest enthousiast over ben, is de mogelijkheid om gebruik te maken van deze nieuwe CubeSat-beelden, " zei Cooley. "We hadden deze waarnemingen niet kunnen doen zonder de CubeSats, en hier laten we zien dat het mogelijk is om waardevolle wetenschappelijke informatie uit die afbeeldingen te halen."

Grote satellieten van ruimteagentschappen, versierd met gevoelige wetenschappelijke instrumenten, kunnen allerlei soorten informatie verzamelen, maar maak eenvoudigweg niet genoeg overheadpassen om veranderingen op te vangen die zich in korte tijd voordoen. En de satellieten die dagelijks passeren, missen de cameraresolutie om nauwkeurige observaties van het merengebied te maken.

de CubeSats, onlangs gelanceerd door een bedrijf genaamd Planet, bood een mogelijke oplossing. Het bedrijf exploiteert meer dan 150 satellieten, die om de aarde draaien in een opstelling die hen in staat stelt om elke dag de hele landmassa van de aarde in beeld te brengen terwijl de planeet onder hen draait. En hoewel de kleine satellieten geen geavanceerde wetenschappelijke apparatuur hebben, ze hebben krachtige camera's die beelden kunnen vastleggen met een resolutie van 3 meter.

Maar de CubeSat-gegevens bieden enkele unieke uitdagingen, zegt Cooley. Bijvoorbeeld, de locatiegegevens van CubeSats zijn meestal niet zo nauwkeurig als die van satellieten van ruimteagentschappen. En de CubeSat-afbeeldingen missen filters die ze gemakkelijker te analyseren maken. Satellietgegevens van NASA of European Space Agency (ESA) worden gefilterd om afbeeldingen die zijn gemaakt op bewolkte dagen of andere afbeeldingen van lage kwaliteit te elimineren.

Dus Cooley moest haar eigen systeem ontwerpen om die problemen te compenseren. Voor de studie, ze trainde een machine learning-algoritme om afwijkende gegevenspatronen te herkennen en weg te gooien. Bijvoorbeeld, gevallen waarin een meer plotseling op een dag verdwijnt om een ​​paar dagen later weer te worden bekeken, zijn hoogstwaarschijnlijk te wijten aan bewolking of glitchy waarnemingen, niet een daadwerkelijke verdwijning van het meer. Het algoritme kan dergelijke instanties markeren en uit de gegevens verwijderen.

Met behulp van dat algoritme, Cooley en haar collega's konden meer dan 25 terabyte aan CubeSat-gegevens doorzoeken. Cooley zegt dat ze de komende jaren meer interessante aardwetenschappelijke bevindingen verwacht van CubeSats.

"Ik zie dit als het begin van een nieuwe periode in teledetectie, in dat plotseling allerlei aardobservaties die voorheen niet mogelijk waren mogelijk worden met deze kleine, eenvoudige satellieten, ' zei Cooley.