Forscher der University of Alaska Fairbanks haben eine Methode entwickelt, mit der Radar offene Wasserzonen und andere Veränderungen in den zugefrorenen Flüssen Alaskas im Frühwinter erkennen können. Der Ansatz kann automatisiert werden, um aktuelle Gefahrenkarten bereitzustellen, und ist in der gesamten Arktis und Subarktis anwendbar.
Viele Bewohner Alaskas, vor allem in den ländlichen Teilen des Bundesstaates, nutzen Flüsse im Winter als Eisstraßen, um zwischen Gemeinden zu reisen oder sich zu erholen, zu jagen und zu angeln. Offene Wasserzonen im Flusseis können gefährlich sein.
Die neue Methode wird in einem Papier detailliert beschrieben veröffentlicht 13. März in der Zeitschrift Fernerkundung der Umwelt.
Die Fernerkundungswissenschaftlerin Melanie Engram vom Water and Environmental Research Center am UAF Institute of Northern Engineering leitete die Forschung.
Zu den Co-Autoren gehören Franz Meyer vom UAF Geophysical Institute; Dana Brown, Sarah Clement und Katie Spellman vom UAF International Arctic Research Center; und Allen Bondurant, Laura Oxtoby und Christopher Arp vom Water and Environmental Research Center.
„Die Erwärmung der Arktis hat die Art und Weise, wie Flüsse zufrieren, verändert und sich aufgrund späterer Zufrierungen, offener Wasserzonen mitten im Winter und früherer Brüche auf die Flussfahrt im ländlichen Winter ausgewirkt“, schreiben die Autoren.
Frühere Forschungen anderer konzentrierten sich auf nur ein oder zwei Flussabschnitte in Kanada und gemäßigtes Klima in Litauen.
Engram und ihre UAF-Kollegen verwendeten Radardaten mit synthetischer Apertur von 12 Abschnitten an acht Flüssen in Alaska, um ein Flusseisklassifizierungssystem zu erstellen, das in nördlichen hohen Breiten von Oktober bis Januar verwendet werden kann. Der Zeitraum endet im Januar, da Flussnutzer bis dahin in der Regel Freiwasserstandorte gemeinsam genutzt haben. Auch später im Winter wird das Flusseis komplexer. Andere SAR-basierte Flusseisklassifizierungen konzentrieren sich auf Frühlingseis während des Aufbrechens.
„Dies kann für alle Flüsse im nördlichen Breitengrad angepasst und automatisiert werden, um aktuelle Karten der offenen Gewässerzone bereitzustellen“, sagte Engram. „Es ist nicht nur für Alaska konzipiert.“
Radar mit synthetischer Apertur kann Wolken und andere atmosphärische Bedingungen wie Dunst, Nebel und Regen durchdringen. Dies liegt daran, dass SAR im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, der längere Wellenlängen als sichtbares Licht hat.
Die SAR-Technologie wird häufig für die Umweltüberwachung, die Landwirtschaft, das Katastrophenmanagement und die Verteidigung eingesetzt.
Engram und das Team verfeinerten und validierten ihre Datenverarbeitung, um die Klassifizierungen auf vier zu reduzieren: Eis, offenes Wasser, weniger sicheres Eis und weniger sicheres offenes Wasser. Dazu arbeiteten sie mit zwei Arten von Radardaten: vertikal-vertikal und vertikal-horizontal.
Beim Vertikal-Vertikal-Modus weist die elektromagnetische Welle sowohl des gesendeten als auch des zurückgegebenen Radarstrahls Spitzen und Täler auf, ähnlich dem Anstieg und Abfall von Meereswellen.
Bei der vertikal-horizontalen Ausrichtung ähnelt die ausgesendete elektromagnetische Welle den Meereswellen, die vom Zielobjekt zurückkehrende Welle ist jedoch seitlich ausgerichtet, ähnlich wie eine Schlange.
Das ist wichtig, da die verschiedenen Kombinationen unterschiedliche Datenmerkmale offenbaren können.
Die Daten werden auch durch den Winkel beeinflusst, in dem der Radarstrahl selbst auf ein Ziel gerichtet ist. Unterschiedliche Blickwinkel können unterschiedliche Perspektiven und damit unterschiedliche Informationen liefern.
Engram nutzte Daten des Sentinel-1-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation. Diese Daten werden in der Alaska Satellite Facility der UAF archiviert.
Anschließend verglichen die Forscher die SAR-Daten mit Luftbildern, dem Sichtfeld Dutzender Kameras an Land, Luftbildern, Beobachtungen auf dem Eis und Berichten von Community-Mitgliedern, die Beobachtungen auf das Beobachterportal hochgeladen hatten.
„Wir hatten überall im Staat Küstenkameras und sie machten jeden Tag ein Foto vom Fluss“, sagte Engram. „Und wir haben uns mit Gemeinden beraten und gefragt: ‚Was ist Ihnen wichtig?‘“
Engram wählte Abschnitte von acht Flüssen: Colville, Noatak, Tanana, Yukon, Kantishna, Innoko, Copper und Kuskokwim, hier in absteigender Reihenfolge der Breitengrade aufgelistet.
Das Team wählte Standorte mit unterschiedlichen Flussvolumina, Breiten, Kanaltypen und Gletscherschlammgehalt aus. Sie wählten außerdem Standorte sowohl in der Tundra als auch in den borealen Wäldern sowie mit unterschiedlichen Permafrostbedingungen in der Nähe.
„Mit dieser Eisklassifizierung versuchen wir, zwischen Eis und offenen Löchern im Eis zu unterscheiden“, sagte Engram. „Es wurden viele Studien durchgeführt, insbesondere in Kanada, die sich mit verschiedenen Eisarten befassten. Das haben wir nicht gemacht. Wir haben uns einfach für Eis und offenes Wasser entschieden.“
Engram lobte die Alaska Satellite Facility, die die Daten hostet.
„Wir sind wirklich glücklich, dass Wissenschaftler Zugriff auf diese Daten haben, nicht nur an der University of Alaska Fairbanks, sondern weltweit“, sagte sie. „Die Alaska Satellite Facility hat SAR-Daten für jede Art von Wissenschaftler viel nutzbarer gemacht. Man muss kein SAR-Spezialist sein.“
Mehr Informationen:
Melanie Engram et al., Erkennung von Freiwasserzonen im Frühwinter an Alaska-Flüssen mithilfe des dualpolarisierten C-Band-Sentinel-1-Radars mit synthetischer Apertur (SAR), Fernerkundung der Umwelt (2024). DOI: 10.1016/j.rse.2024.114096