Море, которое тает
Как спутники Landsat помогли заново измерить Каспий
Как измерить море, которое отступает, если его береговая линия — одна из самых сложных на планете? Каспий с 1995 года теряет почти 10 см уровня ежегодно, а в дельте Волги вода и суша переходят друг в друга через бесконечные лабиринты протоков и болотистых экотонных зон, где традиционные методы спутникового дешифрирования дают сбой.
Фото: iStock
Фото: iStock
Чтобы получить максимально точные цифры, коллектив исследователей под руководством главного научного сотрудника Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, профессора, доктора физико-математических наук, Андрея Костяного впервые применил для расчета площади всего Каспийского моря спутниковые снимки Landsat с 30-метровым разрешением. Однако чем выше детализация, тем сложнее провести границу между водой и сушей — и именно с этого технического вызова начинается разговор.
В исследовании принимали участие сотрудники Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Геофизического центра РАН, Тверского государственного университета и АО «НПО “Импульс”». Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) №23-77-00027, опубликованы в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».
В интервью «Ъ-Наука» ученый расскажет, почему залив-испаритель Кара-Богаз-Гол находится на грани полного высыхания, где обмеление происходит быстрее всего, какие экологические риски несет осушенное дно и почему новые карты Каспия могут понадобиться для решения территориальных вопросов между прикаспийскими государствами.
— В исследовании использовались снимки 30-метрового разрешения. Как такой шаг пикселя влияет на точность расчетов площади, особенно с учетом изрезанности береговой линии Каспия в районе дельты Волги? Не возникает ли из-за этого систематической погрешности?
— Спутниковые снимки 30-метрового разрешения впервые использовались для расчета площади всего Каспийского моря и залива Кара-Богаз-Гол. Это обеспечивает большую точность, чем это определялось ранее по спутниковым изображениям километрового разрешения, гидрографическим картам или картам топографии дна. Границы Каспийского моря и залива Кара-Богаз-Гол выделялись с использованием методики, основанной на разделении пикселей ближнего ИК-канала по пороговому значению, полученному опытным путем. Изрезанность береговой линии в дельте Волги, как и в других местах, не имеет значения. Скорее возникает вопрос, где проводить границу моря в самой дельте Волги при сильно меняющемся уровне моря. В северной части Каспийского моря большая часть береговой линии имеет сложную экотонную зону, например, дельта Волги представляет собой огромный массив переходных экотонных зон, сложных для дешифрирования. Ранее при исследовании зарастания водохранилищ на Волге было отмечено, что все имеющиеся способы выделения водоемов, по данным ДЗЗ, имеют погрешности при разделении экотонных зон между водной поверхностью и сушей и наилучшую эффективность показала методика на основании разделения пикселей ближнего ИК-канала по пороговому значению. В этой работе для выделения границ Каспийского моря (вода—суша) была применена указанная методика, при этом пороговое значение было адаптировано к используемым продуктам спутников Landsat-5, -7 и -8. Такой способ не исключает и ложного дешифрирования, но в ходе наших изысканий он показал лучшие результаты.
— На Каспии хорошо известны сгонно-нагонные явления — уровень колеблется под воздействием ветра. Как авторам удалось отфильтровать эти краткосрочные эффекты, чтобы построить гипсометрические кривые именно для многолетней тенденции снижения уровня?
— Сгонно-нагонные явления специально не отфильтровывались. Район исследования перекрывается шестью треками спутников Landsat, поэтому одномоментно получить изображение всего Каспийского моря не представляется возможным. К тому же на многих снимках присутствует облачность, что также не позволяет получить изображение поверхности всего моря одновременно. Наименьшее количество облаков в регионе Каспийского моря характерно для летних месяцев, поэтому было принято решение использовать мозаики снимков за три летних месяца каждого года, что позволило сгладить эффекты сгонов-нагонов и ряд других. Внутригодовой максимум уровня Каспийского моря чаще всего отмечается в июле, что позволило нам оценивать максимальную площадь водоема в годовом цикле, а период с 1993 по 2025 год позволил получить межгодовую изменчивость площади Каспийского моря и залива Кара-Богаз-Гол.
— Залив Кара-Богаз-Гол не зря называют «испарителем» Каспия. Почему для него потребовалась отдельная гипсометрическая кривая? Чем форма его котловины так отличается от основного водоема и как это влияет на скорость потери площади залива?
— Залив Кара-Богаз-Гол — это мелководный залив Каспийского моря, топография дна которого кардинально отличается от топографии дна всего Каспийского моря. Именно по этой причине потребовалось построить отдельную гипсометрическую кривую и для залива тоже. Средняя глубина залива ранее составляла около 7 м. В настоящее время в связи со снижением уровня моря и уменьшением поступления каспийской воды в залив Кара-Богаз-Гол быстро мелеет, а в ближайшей перспективе, при снижении уровня моря ниже глубины порога в проливе Кара-Богаз-Гол, он высохнет полностью.
— Логика подсказывает: чем меньше площадь зеркала, тем меньше испарение, а значит, падение уровня должно замедляться. Однако уровень падает все быстрее. Означает ли это, что главная причина сейчас — не испарение, а сокращение речного стока? И какой компонент водного баланса сегодня сильнее всего разгоняет падение?
— Да, и по логике, и по науке это должно быть так, но при одном важном условии — сохранении скорости испарения с поверхности моря. Однако проведенное нами исследование показало, что сокращение площади моря на 7,4% от площади 1996 года не привело к замедлению снижения уровня моря. Согласно данным спутниковой альтиметрии, мы пока не видим замедления снижения уровня моря. Наоборот, если в 2005–2019 годах уровень моря снижался со средней скоростью 8,16 см в год, то в последние пять лет (2020–2024) эта скорость выросла до 22,7 см в год. Последние исследования российских и зарубежных ученых показывают, что возросшее испарение является основной причиной снижения уровня моря, хотя одновременно мы наблюдаем и уменьшение стока всех рек на Каспии.
— Полученные формулы хорошо работают для уровней, которые были зафиксированы за последние 30 лет (до минус 29 м). Но некоторые прогнозы пугают падением уровня аж до минус 50 м к концу века. Можно ли вообще экстраполировать эти зависимости на такие низкие отметки? Ведь берега у Каспия на севере очень пологие — возможно, при дальнейшем обмелении каждый сантиметр ухода воды будет обнажать все новые и новые километры суши и прежние расчеты станут неприменимы.
— Некоторые прогнозы, действительно, дают снижение уровня моря еще на 20 м до конца века, но мы и не предлагаем экстраполировать полученные нами зависимости на такие отметки. Мы в статье рекомендуем использовать полученные уравнения регрессии для расчета площади Каспийского моря при уровнях от минус 26 до минус 29 м БС и для расчета площади залива Кара-Богаз-Гол при уровнях от минус 27,1 до минус 31 м БС.
— Осушенное дно площадью почти 29 тыс. кв. км — это огромная территория, сопоставимая с Албанией. Она неизбежно становится источником солей и токсичных частиц. Изучали ли авторы связь между отступанием моря и ростом пыльных и солевых бурь в Прикаспийском регионе?
— Да, это одна из возможных новых экологических проблем на Каспии, которая близка к той, которая возникла на осушенном дне большей части Аральского моря. Нет, мы не занимались исследованием пылевых и солевых бурь в прикаспийском регионе — это отдельная задача, которой придется заниматься в будущем.
— Для осетровых важны мелководные нерестилища. Сокращение площади зеркала — это прямая потеря таких участков? Или, может быть, опреснение оставшейся акватории частично компенсирует этот ущерб?
— Мелководные районы на Каспии не исчезнут, поэтому я не думаю, что снижение уровня моря на несколько метров будет большой проблемой для осетровых. В рамках другого проекта РНФ мы провели работу по картированию и описанию особенностей распространения пяти анадромных видов осетровых в российском секторе Каспийского моря и смежных с ним водах на основании опубликованных результатов научных съемок 1994–2020 годов. Полученные данные могут послужить основой для создания морских охраняемых зон в российских водах Каспийского моря в районах, где популяции осетровых подвергаются серьезному антропогенному воздействию. Эта тема для другой статьи, над которой мы сейчас работаем.
— Где обмеление выражено наиболее драматично — на пологом северном шельфе или у крутых южных берегов? И как динамика отступания моря у дельты Волги сказывается на работе портов и судоходных каналов?
— Обмеление моря происходит наиболее заметно там, где уклоны дна минимальны (там, где пологое дно), поэтому быстрее всего осушаются мелководные районы восточной части Северного Каспия, где море за последние 30 лет ушло на десятки километров. Обмеление Каспийского моря существенным образом сказалось на изменении береговой линии и привело к появлению или слиянию островов, увеличению площади островов, выдвижению дельты Волги, обмелению Волго-Каспийского морского судоходного канала и исчезновению крупных заливов в мелководном Северном Каспии. Так, например, залив Мертвый Култук (Казахстан) и его продолжение залив Кайдак в северо-восточной части моря вновь пересохли, превратившись в обширный сор (солончак). В меньшей степени это коснулось глубоководных частей моря — Среднего и Южного Каспия, однако и здесь наблюдаемое снижение уровня моря привело к существенным переменам. К 2021 году площадь лагуны Энзели (Иран) сократилась примерно на 55% по сравнению с ее значением в 1995 году, лагуны Гомишан (Иран) — примерно на 98%, залива Горган (Иран) — на 40%, залива Кызыл-Агач (Гызыл-Агадж, Азербайджан) — на 41% и залива Туркменбаши (Туркменистан) — на 30%. Увеличился в размерах остров Огурчинский (Туркменистан) у восточного побережья Южного Каспия. Происходит обмеление всех портов на Каспии, что затрудняет судоходство.
— Полученные уравнения регрессии и гипсометрические кривые — это, безусловно, ценный научный инструмент для уточнения водного баланса и расчетов испарения. Но что дальше? Как эти цифры могут помочь обычным людям, живущим на побережье,— например, вовремя перенести инфраструктуру или спасти порты от обмеления? Смогут ли экологи использовать эти данные, чтобы оценить, как падение уровня влияет на рыбные запасы, нерестилища осетровых и на то, что осушенное дно становится источником солевых бурь? Или пока это чисто фундаментальная работа, которая в будущем ляжет в основу прикладных решений, но не сейчас?
— В настоящее время это скорее фундаментальная работа, которая в будущем ляжет в основу прикладных решений. Кроме того, это отработка новых методов использования спутниковых данных высокого пространственного разрешения для решения поставленной задачи. Необходимо продолжать работы по построению гипсометрических кривых для более глубоких горизонтов, поскольку они понадобятся для расчетов площади зеркала моря, зон осушки и объемов испарения при дальнейшем снижении уровня моря, а это уже реальная информация для принятия конкретных решений по адаптации социально-экономических систем к предстоящим угрозам.
— Когда море так быстро отступает, обнажаются новые участки дна. Несоздает ли это почву для территориальных споров между государствами? И можно ли использовать полученные карты для делимитации новых береговых линий?
— Да, это одна из возникающих проблем, которой надо начинать заниматься уже сегодня для избежания не только территориальных споров, но и для решения проблем делимитации государственных границ на суше и в море между соседними странами в условиях постоянно меняющегося уровня Каспийского моря.