Med hjälp av en armé av små satelliter, forskare har visat att vattennivåerna i små sjöar i norra Kanada och Alaska är mycket mer varierande under sommaren än man tidigare trott. Resultaten, publicerad i Geofysiska forskningsbrev , kan få konsekvenser för hur forskare beräknar de naturliga växthusgasutsläppen från dessa norra sjöar.

Studien använde bilder som tagits av ett nätverk med mer än 150 CubeSats - små satelliter om storleken på skokartonger - som gjorde nästan dagliga observationer av mer än 85, 000 små nordamerikanska sjöar under sommaren 2017. Bilderna gjorde det möjligt för forskarna att se hur sjöarna förändrades över tiden. De hittade små men betydande strandförändringar i enskilda sjöar som bidrog till hundratals kvadratkilometer förändringar i sjöarea i studieområdet.

"Det har forskats mycket om klimatdrivna förändringar i sjöområdet, men det är främst inriktat på långsiktiga förändringar, sa Sarah Cooley, en doktorsexamen student vid Brown University och studiens huvudförfattare. "Det här är första gången som någon har tittat på finskalighet, förändringar på kort sikt, och vi fann att det finns mycket mer variation inom en säsong än väntat. "

Studieområdet fångar upp en omfattande del av arktisk tundra och boreal skog, en biom som cirklar jordens norra halvklot i ett band från cirka 50 till 70 grader nordlig latitud. Regionen är hem för kritiska skogs- och tundraekosystem samt planetens högsta täthet av sjöar, så att förstå dess hydrologi är vetenskapligt viktigt. En anledning till det är att boreala sjöar är en betydande källa till naturliga växthusgasutsläpp. Deras sediment innehåller massor av organiskt kol, som sköljer in från det omgivande landskapet. En del av det kolet sönderdelas sedan och det släpps ut i atmosfären i form av koldioxid och metanväxthusgaser.

Denna nya upptäckt av stora sommarfluktuationer på sommaren har konsekvenser för hur forskare beräknar dessa utsläpp, säger forskarna. Det beror på att strandområden där vatten ebber och flöden från säsong till säsong är kända hotspots för produktion och utsläpp av växthusgaser. Men uppskattningar av sjöutsläpp antar generellt att strandlinjerna är stabila inom varje säsong. Upptäckten av överraskande fluktuationer inom strandlinjen, säger forskarna, föreslår att nuvarande utsläppsmodeller från boreala sjöar kan underskattas.

"En strandlinje som fluktuerar kommer att släppa ut mer kol än en stabil strandlinje, "Cooley sa." Dessa kortsiktiga fluktuationer, som ingen någonsin hade kartlagt förut, föreslår att dessa sjöar potentiellt släpper ut mer gas än folk trodde. "

En annan upptäckt som förvånade forskargruppen var den stora övergripande betydelsen av strandfluktuationer på det gamla kanadensiska skölden, en stenig, vått landskap i centrala Kanada där miljontals små sjöar täcker 20 procent av landskapet.

"Tidigare studier antog att sjöar i detta område var relativt stabila, "sa Laurence C. Smith, medförfattare till studien och projektledare för NASA:s Arctic-Boreal Vulnerability Experiment, som hjälpte till att finansiera studien. "Till vår förvåning, högupplöst, Högfrekvent avbildning som CubeSats erbjuder avslöjade att små strandfluktuationer i detta sjörika område uppgår till imponerande stora antal. "

I alla, studien undersökte fyra delområden i Nordamerikanska Arktis och sub-Arktis och fann den lite studerade kanadensiska skölden vara mest dynamisk av alla, med cirka 1,4 procent av sitt landskap översvämmas säsongsmässigt av små svängningar i sjönivåer.

Stora data, små satelliter

Ytterligare en takeaway från studien, Cooley säger, är att det visar kraften hos CubeSats att samla in data som större satelliter inte kan samla.

"Det jag är mest upphetsad av ur ett vetenskapligt perspektiv är förmågan att använda detta nya CubeSat -bilder, ”Sa Cooley.” Vi hade inte kunnat göra dessa observationer utan CubeSats, och här visar vi att det är möjligt att extrahera värdefull vetenskaplig information från dessa bilder. "

Stora rymdorganisationssatelliter prydda med känsliga vetenskapliga instrument kan samla all slags information, men gör helt enkelt inte tillräckligt med overheadpass för att fånga förändringar som sker under korta tidsperioder. Och satelliterna som går över dagligen saknar kamerans upplösning för att göra finskaliga observationer av sjöområdet.

The CubeSats, nyligen lanserat av ett företag som heter Planet, erbjöd en möjlig lösning. Företaget driver mer än 150 satelliter, som kretsar kring jorden i ett arrangemang som gör det möjligt för dem att avbilda jordens hela landmassa varje dag när planeten roterar under dem. Och medan de små satelliterna saknar sofistikerad vetenskaplig utrustning, de har kraftfulla kameror som kan ta bilder med 3-meters upplösning.

Men CubeSat -data presenterar några unika utmaningar, Säger Cooley. Till exempel, platsdata från CubeSats tenderar inte att vara så exakta som de från rymdorganisationssatelliter. Och CubeSat -bilderna saknar filter som gör dem enklare att analysera. NASA eller European Space Agency (ESA) satellitdata filtreras för att eliminera bilder som tagits på grumliga dagar eller andra bilder av låg kvalitet.

Så Cooley var tvungen att designa sitt eget system för att kompensera för dessa problem. För studien, hon utbildade en algoritm för maskininlärning för att upptäcka avvikande datamönster och slänga dem. Till exempel, fall där en sjö plötsligt försvinner på en dag bara för att återvända för att se några dagar senare beror troligen på molntäcke eller felfria observationer, inte en verklig sjö försvinnande. Algoritmen kan flagga sådana instanser och ta bort dem från data.

Med den algoritmen, Cooley och hennes kollegor kunde sålla igenom mer 25 terabyte CubeSat -data. Cooley säger att hon förväntar sig att fler intressanta jordvetenskapliga fynd kommer från CubeSats under de kommande åren.

"Jag ser detta som början på en ny period inom fjärranalys, genom att plötsligt alla möjliga jordobservationer som kanske inte har varit möjliga tidigare kommer att bli möjliga med dessa små, enkla satelliter, "Sa Cooley.