Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 3. С. 31-44
Термодинамический спутниковый мониторинг здоровья лесных экосистем водосборного бассейна Финского залива (на примере Карельского перешейка)
В.И. Горный
1 , А.В. Киселев
1 , П.А. Безрученко
1 , А.Б. Манвелова
1 , А.А. Тронин
1 , А.А. Бриль
2 , А.А. Мазуров
2 1 Санкт-Петербургский федеральный исследовательский центр РАН, Санкт-Петербург, Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 15.05.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-3-31-44
Актуальная проблема экологической безопасности — мониторинг здоровья экосистем. С. Э. Йоргенсеном и Ю. М. Свирежевым (Jørgensen J. S., Svirezhev Yu. M. Towards a thermodynamic theory for ecological systems. Oxford: Elsever, 2004) разработаны основы термодинамической теории экосистем. Показано, что поглощённая экосистемой эксергия солнечного излучения затрачивается на депонирование углерода и вывод энтропии, генерируемой антропогенным и природным воздействием на экосистемы. Критерием здоровья экосистемы является количество содержащейся в ней эксергии. В настоящей работе для спутникового картирования здоровья экосистем использована скорость эвапотранспирации — прямо пропорциональная эксергии, затрачиваемой на депонирование углерода. Для этого был введён термодинамический индекс воздействия, равный отношению эвапотранспирации импактной экосистемы к эвапотранспирации здоровой. В качестве здоровой могут быть использованы экосистемы особо охраняемых территорий или экосистемы данного вида с наибольшим значением эвапотранспирации. Особенностью данного исследования стало внедрение технологии термодинамического спутникового картирования здоровья экосистем в Центре коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг», в том числе в систему «Вега-Sсience», где с 2001 г. в автоматическом режиме непрерывно пополняется база восьмидневных спутниковых композитов эвапотранспирации (пространственное разрешение 500×500 м) на всю территорию России. В качестве объекта исследований выбраны экосистемы Карельского перешейка как представительной территории водосборного бассейна Финского зал. На трёх примерах природного и антропогенного воздействия представлена эффективность предложенного показателя здоровья экосистем. Показано, что чувствительность технологии к нарушению здоровья экосистем столь высока, что позволяет картировать локальные нарушения здоровья экосистем, пространственные размеры которых на порядок меньше, чем разрешение использованных карт эвапотранспирации. Сделан вывод, что разработанная технология может быть оперативно применена региональными экологическими органами на всей территории России для синоптического анализа здоровья экосистем.
Ключевые слова: термодинамика, спутник, эвапотранспирация, здоровье экосистем, показатель, Карельский перешеек, воздействия, реакция экосистем
Полный текстСписок литературы:
- Барталев С. А., Егоров В. А., Ершов Д. В. и др. Спутниковое картографирование растительного покрова России по данным спектрорадиометра MODIS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 285–302. http://d33.infospace.ru/d33_conf/2011v8n4/285-302.pdf.
- Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш. и др. Верификация крупномасштабных карт термодинамического индекса нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 201–212. http://d33.infospace.ru/d33_conf/sb2013t4/201-212.pdf.
- Горный В. И., Киселев А. Б., Крицук С. Г. и др. Термодинамический подход к спутниковому картированию накопленного экологического ущерба лесных экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 4. С. 124–136. DOI: 10.21046/2070–7401-2019-16-4-124-136.
- Змитрович И. В. Средняя тайга Карельского перешейка: зональные, интразональные и экстразональные явления // Вестн. экологии, лесоведения и ландшафтоведения. 2012. № 12. С. 54–76.
- Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А. и др. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 151–170. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170.
- Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А. и др. Система «Вега-Science»: особенности построения, основные возможности и опыт использования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 6. С. 9–31. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-9-31
- Лысенко С. А., Логинов В. Ф. Роль лесов в поддержании водного баланса на территории Беларуси // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. 2020. Т. 64. № 2. С. 225–232. DOI: 10.29235/1561-8323-2020-64-2-225-232.
- Манвелова А. Б., Киселев А. В., Неробелов Г. М. и др. Многолетние изменения дистанционно измеренных характеристик экосистем бассейна реки Луги как реакция на техногенное воздействие // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 40–56. DOI: 10.21046/2070–7401–2022-19-4-40-56.
- Онучин А. А., Буренина Т. А., Зирюкина Н. В., Фарбер С. К. Лесогидрологические последствия рубок в условиях Средней Сибири // Сибирский лесной журн. 2014. № 1. С. 110–118.
- Прошин А. А., Лупян Е. А., Балашов И. В. и др. Создание унифицированной системы ведения архивов спутниковых данных, предназначенной для построения современных систем дистанционного мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 9–27. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-3-9-27.
- Рахманов В. В. Гидроклиматическая роль лесов. М.: Лесная пром-сть. 1984. 240 с.
- Рубцов М. В. Защитно-водоохранные леса. М.: Лесная пром-сть. 1972. 120 с.
- Хумала А. Э., Полевой А. В. Находки редких и примечательных видов насекомых (Insecta) на территории Карелии // Тр. Карельского науч. центра РАН. 2015. № 6. С. 19–46. DOI: 10.17076/bg30.
- Jørgensen S. E., Fath B. D. Encyclopedia of ecology systems. Oxford: Elsever, 2008. 3120 p.
- Jørgensen J. S., Svirezhev Yu. M. Towards a thermodynamic theory for ecological systems. Oxford: Elsever, 2004. 366 р.
- Mu Q., Zhao M., Running S. W. MODIS Global Terrestrial Evapotranspiration (ET) Product (NASA MOD16A2/A3). Algorithm Theoretical Basis Document. Collection 5 / NASA Headquarters. Numerical Terradynamic Simulation Group. Univ. Montana, 2013. 55 p.
- Running S. W., Zhao M. Daily GPP and annual NPP (MOD17A2/A3) products NASA Earth Observing System MODIS land algorithm: MOD17 user’s guide. 2015. P. 1–28. https://www.umt.edu/numerical-terradynamic-simulation-group/files/modis/MOD17UsersGuide2015_v3.pdf.
- Running S., Mu Q., Zhao M. MOD16A2 MODIS/Terra Net Evapotranspiration 8-Day L4 Global 500m SIN Grid V006 1. [Data set]. NASA EOSDIS Land Processes Distributed Active Archive Center (DAAC). 2017. https://doi.org/10.5067/MODIS/MOD16A2.006.
- Running S., Mu Q., Zhao M., Moreno A. MODIS/Terra Net Evapotranspiration Gap-Filled 8-Day L4 Global 500m SIN Grid V061. 2021, distributed by NASA EOSDIS Land Processes DAAC. https://doi.org/10.5067/MODIS/MOD16A2GF.061.
- Wei X., Giles-Hansen K., Spencer S. A. et al. Forest harvesting and hydrology in boreal Forests: Under an increased and cumulative disturbance context // Forest Ecology and Management. 2022. V. 522(3). Article 120468. DOI:10.1016/j.foreco.
- Zhang M. The Effects of Cumulative Forest Disturbances on Hydrology in the Interior of British Columbia, Canada. PhD Environmental Science, University of British Columbia. 2013. 219 p. DOI: http://dx.doi.org/10.14288/1.0071984.