В России действует платформа Experion – часть проекта «Люди науки» от Ассоциация коммуникаторов в сфере образования и науки (АКСОН). Это первый в России некоммерческий инструмент гражданской науки, позволяющий людям без специальной подготовки анализировать научные снимки. С помощью бесплатного онлайн-конструктора учёные могут загружать на платформу изображения и ставить задачи по их обработке. Люди получают доступ к уникальным данным и могут вносить реальный вклад в науку без сверхусилий: работа с одним снимком занимает несколько секунд. Мы запустили два проекта со схожими подходами по анализу спутниковых изображений, которые могут содержать внутренние волны или пылевые бури.
Внутренние волны
Внутренние волны являются мощной частью энергообмена в океане. Разрушаясь, внутренние волны переносят энергию и вызывают турбулентность (хаотичное перемешивание) в морской толще, что в целом обеспечивает существенный вклад в перемешивание океана, которое, в свою очередь, приводит к переносу кислорода в глубоководные слои и к поднятию питательных веществ со дна. Изучение внутренних волн важно для таких отраслей, как морской надводный и подводный транспорт, строительство глубоководных объектов (платформы, трубопроводы), подводная акустическая навигация и связь, рыбное хозяйство и аквакультура.
Внутренние волны – довольно сложное физическое явление, которое возникает в результате внешнего воздействия на водную толщу, состоящую из устойчивых слоёв с разной плотностью воды – наверху менее плотная, внизу плотная. В результате частица воды смещается с линии своего плотностного равновесия (под воздействием силы тяжести), затем стремится туда вернуться (под действием выталкивающей силы). Так происходит «раскачивание» слоя воды.
Такие волны фиксируются с помощью погружных датчиков и спутниковых данных по «выглаживаниям» в полях морского волнения или за счёт прямого наблюдения волн, по проявлениям в данных температуры морской воды в зоне сильного градиента, а также по фитопланктону, который поднимается или опускается вместе с создаваемыми вертикальными потоками воды.
Участвующим в нашем проекте волонтёрам необходимо выявлять признаки присутствия внутренних волн в полях цвета моря (из которых рассчитываются концентрации хлорофилла), зарегистрированных из космоса. На снимках, которые мы подготовили с моей коллегой Надеждой Липинской, волонтеры ищут внутренние волны среди всевозможных струй течений, вихрей, границ взаимодействия различных водных масс, наблюдаемых на морской поверхности. Задача сложная, потому что иногда за внутренние волны можно принять артефакты изображений, которые выглядят очень похоже.
Мы ищем редкое явление – внутренние волны, проявляющиеся в полях концентрации хлорофилла. Они видны как тонкие линии с целым рядом отличительных особенностей:
- имеют неровную дугообразную форму;
- могут распространяться как одиночной волной в виде дуги, так и пакетом волн (дуг);
- каждая дуга имеет чёткую границу (начало и конец);
- расстояние между дугами увеличивается;
- дуги, как правило, неидеальны (несимметричны или немного изогнуты);
- визуально похожи на складки, смятую бумагу или морщины, а не на идеальные круги от циркуля или прямые линии.
Эти данные позволяют получить больше информации для расчета амплитуд внутренних волн.
Пылевые бури
Пылевые бури являются важным фактором, определяющим качество жизни населения в азиатском регионе. Они ежегодно зарождаются в пустынях Гоби и Такламакан и переносятся в восточном направлении над густонаселёнными районами Китая, Южной и Северной Кореи, России, Японии. При этом они влияют на падающее солнечное излучение и являются поставщиком минеральных веществ в верхние слои моря, где могут быть использованы фитопланктонными сообществами для своего роста.
Пылевая буря – это атмосферное явление, заключающееся в переносе больших объёмов песка в виде пылевого аэрозоля. Оно вызвано воздействием ветра на поверхность Земли. Частицы аэрозоля скапливаются на высотах, где значения температур существенно изменяются, и могут находится там очень долго (до нескольких недель и месяцев). Атмосферный аэрозоль в целом – это важный климатообразующий фактор, влияющий на радиационный баланс Земли, способный оказывать «антипарниковый» эффект за счёт обратного рассеяния падающего солнечного излучения и поглощения тепла в верхних слоях атмосферы, а не около земной поверхности.
Под действием ветра аэрозольные массы могут переноситься на далёкие расстояния. Так, выносы аэрозоля, вызванные пылевыми бурями в пустыне Сахара, наблюдаются над Атлантическим океаном и достигают берегов Америки. Следы азиатских пылевых бурь, возникающих над континентальными районами Китая и Монголии, достигают берегов Японии и иногда Калифорнии. Когда аэрозоль движется над океаном, он может попадать в воду, что увеличивает концентрацию микроэлементов в верхнем слое океана. Рост объёмов таких веществ (особенно железа, кремния, фосфора) даже в незначительных количествах способен приводить к локальному цветению фитопланктона и к значительному увеличению концентрации хлорофилла-а.
Сложность исследования процессов переноса аэрозоля и особенно его воздействия на фитопланктонные сообщества обусловлена большими пространственными и временными масштабами явлений, необходимостью проведения измерения параметров, которые характеризуют как непосредственно аэрозольный транспорт, так и реакцию фитопланктонного сообщества на него.
Важный инструмент изучения пылевого аэрозоля – анализ спутниковых изображений. Однако такая задача содержит много нюансов, которые необходимо иметь в виду. Пылевые частички чаще всего обводняются в атмосфере, а также переносятся одновременно с облаками (в том числе над или под ними) либо над оптически сложными водами в районе выхода речных стоков. Всё это затрудняет детектирование пыли на спутниковых снимках. Чтобы решить эту проблему, можно объединить данные всевозможных спутниковых инструментов из различных спектральных диапазонов и работающих по разным схемам.
Чтобы разработать методы автоматического анализа спутниковых данных, важно иметь «эталонные» снимки, где пылевая буря надёжно идентифицирована. Чётко определить, была пылевая буря или нет, можно с помощью наземных специальных метеорологических станций, а над морем – с помощью плавающих морских буёв или морских экспедиций. Однако в море подобные измерения являются крайне редкими, поэтому ещё один способ для отбора «эталонных» данных – вручную просматривать спутниковые изображения и выявлять те, на которых точно видны пылевые бури. При этом ни одному учёному не под силу в одиночку анализировать тысячи космических снимков, поэтому важно привлечение волонтеров, с которыми можно эту задачу решать вместе.
У пылевой бури есть несколько характеристик, которые позволяют её отличить на спутниковом снимке от других объектов:
- размазанное (размытое) облако жёлтого/песочного цвета;
- обычно без чётких границ;
- может быть как над сушей, так и над водой;
- может быть скрыто обычными водными облаками белого цвета.
Совместный отбор с волонтерами позволит отобрать спутниковые данные, на которых наиболее вероятно будут проявляться пылевые бури, включая сложные для анализа случаи, такие как «пыль с облаками» или «пыль над стоками рек».
Таким образом, благодаря работе волонтеров будет собрана информация по явлениям, сложным для автоматического анализа спутниковых изображений. По ней возможно будет как определять отдельные характеристики явлений, так и использовать полученный массив данных для разработки новых алгоритмов идентификации внутренних волн и пылевых бурь на мультисенсорных спутниковых данных – на основе как традиционных подходов, так и связанных с машинным обучением.
