Forskare använder regelbundet fjärranalysdrönare och satelliter för att registrera hur klimatförändringar påverkar upptining av permafrost – metoder som fungerar bra i karga tundralandskap där det inte finns något som hindrar sikten.

Men i boreala regioner, som har en betydande del av världens permafrost, döljande vegetation kan hindra även den mest avancerade fjärranalystekniken.

I en studie publicerad i januari, forskare i Tyskland och vid University of Alaska Fairbanks 'Geophysical Institute utvecklade en metod för att använda satellitbilder för att mäta tjödjupet direkt ovanför permafrost i boreala ekosystem. Istället för att försöka titta förbi växtlighet, de föreslår en unik lösning som använder variationer i skogens färg för att sluta sig till djupet av permafrost under.

Skogen för träden

Permafrostavlagringar på norra halvklotet har varit kontinuerligt frusna i hundratusentals år. Jordlagret direkt ovanför permafrosten, dock, är mycket mer dynamisk — fryser och tinar med årstiderna och växer eller krymper när den interagerar med olika typer av vegetation på ytan.

Eftersom permafrost i boreala områden ofta är täckt med tjockt skogstäcke, typiska metoder för att mäta permafrost och det aktiva skiktet som fungerar bra i tundraområden - som att använda pulserande lasrar eller radar som tränger in i jorden - är ineffektiva och kan ge falska resultat.

"Takerna är i vägen i skogsområden, sa Christine Waigl, en forskare vid Geophysical Institute vid University of Alaska Fairbanks och medförfattare till studien. "Vissa fjärravkänningsinstrument kan penetrera vegetationstäcket, men tolkningen kräver specialiserad kunskap."

Istället för att titta förbi skogstäcket, forskare har vänt sig till en mängd olika indirekta metoder. Ett tillvägagångssätt är att tilldela vegetation kategorier för att få breda uppskattningar av storleken på det aktiva lagret under. Resultaten kan vara oprecisa - liknande skillnaden mellan en skiss av ett landskap och ett högupplöst foto av det.

Istället, huvudförfattare Veronika Döpper, en forskare vid Berlins tekniska högskola, tog ett annat tillvägagångssätt, en där hon betraktade det vegetativa landskapet som en kontinuum.

"I naturliga skogar, växterna runt omkring dig faller inte bara i den ena eller den andra kategorin utan någon gradient däremellan, sa Döpper. Så i vår studie, snarare än att säga att vi hade en björkdominerad skog eller en svartgrandominerad skog med motsvarande djup eller grund permafrost, vi använde våra satellitbilder för att se gradienten mellan de två."

Fjärravkänningsfärgpalett

För att uppnå detta mål, Döpper fick satellitbilder av skogarna som omger staden Fairbanks, Alaska, som togs under sommaren 2018. För att veta vad hon tittade på, Döpper satte upp över 65 tomter på 10 gånger 10 meter utanför Fairbanks samma sommar där hon identifierade alla träd och buskar, mätte direkt djupet av det aktiva lagret och registrerade platsen med GPS.

Genom att använda GPS-koordinaterna för att lokalisera varje plot på satellitkartorna, Döpper kunde sedan säga hur det totala antalet arter i en given tomt bidrog till färgen på dessa tomter, som det kan ses i hennes fjärranalysbilder.

"Olika typer av vegetation kommer att ha helt olika toner i sina färgspektra och reflektanser, som vi kan använda för att kartlägga vegetationssammansättning, sa Döpper.

Med sina tomter som färgguider, reflektanser kan sedan bestämma den exakta typen av vegetation som växer över stora delar av skogklädda och obeklädda områden utanför Fairbanks och, genom ombud, kunde uppskatta de exakta tödjupen för samma område.

Inte bara lovar detta nya tillvägagångssätt att ge mer exakta och rikliga uppskattningar av permafrostdjupet för användning i klimatmodellering, det är också ett värdefullt verktyg för samhällen i boreala regioner.

När permafrosten smälter, avrinningen borrar kanaler genom jorden, destabiliserar topografin ovanför. Detta kan resultera i marksättningar och jordskred, äventyra liv och utgöra risker för infrastrukturen.

Över 80% av Alaska är täckt av permafrost. När dessa avlagringar fortsätter att smälta, innovativa metoder för att övervaka deras försvinnande kommer att vara avgörande på mer än ett sätt.