Оценка современного оледенения Алтая по данным космической съёмки

Систематические съёмки региона и анализ полученных изображений проводили, начиная с 2000 г. Результатом стала база данных о современных ледниках Российского и Казахстанского Алтая. Для основных узлов оледенения проведена оценка изменений площади и объёмов ледников за разные периоды времени, обеспеченные данными достаточного качества.

Использованные методы и данные. Для дешифрирования современного положения границ ледников Северо-Чуйского и Южно-Чуйского хребтов использовались космические снимки ASTER, полученные в рамках международного проекта GLIMS. Поскольку обеспечить единовременное покрытие большой территории материалами одного типа космической съемки высокого разрешения практически невозможно из-за погодных или аппаратурных ограничений, дополнительно были использованы другие виды съёмок, выполненных в 2000–2012 гг. Весь набор снимков включал: ASTER 2000–2012 гг., ALOS PRISM 2008 г., Landsat TM+ 2000–2002 г. Схема покрытия территории снимками показана на рис. 63. В отдельных случаях в процессе дешифрирования границ ледников привлекались снимки с орбитальной станции МКС 2006 г. В качестве исторических данных использовались материалы Каталога ледников СССР, топографические карты масштаба 1 : 50 000 1957 года издания, аэрофотоснимки с 24 августа по 3 сентября 1952 г. и космические снимки CORONA 1968 г.

Дешифрирование и оцифровку границ ледников Северо- и Южно-Чуйского хребтов выполняли вручную с использованием снимков ASTER, полученных 10 сентября 2004 г. и программного обеспечения GLIMSView. Снимки прошли предварительную обработку в архиве NASA (LPDAAC – Land Processes Distributed Active Archive Center), где были орторектифицированы и зарегистрированы в картографической проекции UTM WGS 84 (зона N44). Точность орторектификации была проверена с помощью сети наземных контрольных точек GCP (ground control points), созданной в августе 2007 г. с помощью GPS-съёмки. В качестве GCP-точек использовались гидрографические и топографические элементы земной поверхности, хорошо опознаваемые на космических снимках.

В результате проделанной работы, на территории, охваченной снимками ASTER 2004 г., были определены положения и оцифрованы контуры 256 ледников. Для оценки произошедших с ледниками изменений наиболее корректным было бы использование прошлых материалов космических съёмок, обработанных по аналогичной технологии. Однако первые съёмки с отечественных спутников «Ресурс Ф» (КФА-200, КФА-1000) и американских разведывательных аппаратов KH-9 доступны только с 1971–1973 гг. и не на все территории. Поэтому в настоящее время самым доступным источником данных полувековой давности о состоянии ледников на территории России служит Каталог ледников СССР. При его составлении использовались разные материалы: данные полевых наблюдений, топографические карты и аэрофотоснимки.

Векторизация границ ледников Катунского хребта была также выполнена вручную с использованием программы GLIMSView по чёрно-белым панхроматическим снимкам ALOS PRISM и CORONA. Съёмка выполнена в безоблачную погоду в конце периода абляции до начала выпадения нового снега, поэтому погрешностями дешифрирования, обусловленными влиянием этих факторов, можно пренебречь. В тех случаях, когда дешифрирование границ ледников осложняли тени от горного обрамления, применялась функция выравнивания контраста программы ENVI 4.3. При определении положений ледоразделов (особенно для ледников массива горы Белуха) использовалась цифровая модель рельефа ASTER GDEM v.2.

Данные Каталога ледников СССР использовались в качестве исходной информации для количественной оценки изменений ледников Горного Алтая за полувековой период. Оценка величины погрешности при сравнении данных Каталога с результатами обработки космических снимков была выполнена на примере ледников Северо- и Южно-Чуйского хребтов с использованием материалов аэрофотосъёмки 1952 г. Её величина не превысила 5,8% (Носенко и др., 2010).

Для анализа изменений климатических условий использовались ряды наблюдений среднемесячных температур и осадков за последние десятилетия на метеостанциях Аккем (2050 м), Кара-Тюрек (2600 м) и Актру (2025 м), расположенных в непосредственной близости от ледниковой зоны.

Сокращение площади ледников Северо- и Южно-Чуйского хребтов. Изменения площадей лежат в широком диапазоне – от 5 до 29,6% (∆S_1952–2004), поскольку эта величина зависит от особенностей конкретного ледника – его размеров, строения, экспозиции, условий питания, высоты базиса оледенения и горного обрамления. В пределах Горного Алтая эти факторы имеют большую пространственную изменчивость, и их комбинация в каждом конкретном случае может по-разному влиять на величину сокращения площади ледника.

В то же время, при сравнении площадей ледников в 2004 г. с Каталогом ледников (∆S_{каталог-2004}) и с аэрофоосъёмкой 1952 г. (∆S_1952–2004) были получены разные значения величины сокращения для одних и тех же ледников, хотя составителями Каталога декларировалось использование тех же материалов АФС 1952 г. Можно предположить, что основная причина расхождений заключается в разных подходах при определении положений границ ледников в областях питания при составлении Каталога и при использовании современных космических снимков. Поскольку проверить или найти другое объяснение этого явления не удаётся, то остаётся лишь оценить возможность практического использования полученных результатов. Для этого в таблицу включён ещё один столбец (S_{каталог} – S₁₉₅₂/S_{каталог})%, из которого следует, что, несмотря на довольно большой разброс, средняя величина отклонения составляет 5,8%. Эта цифра близка к результатам аналогичного исследования, выполненного для ледников Заилийского Алатау (Bolch, Marchenko, 2009).

Сокращение площади тестовых ледников с 1952 по 2004 г. составило 15,5% (если использовать данные Каталога) и 12,2% (если исходными данными служат непосредственно аэрофотоснимки 1952 г.). Таким образом, разница в 5,8% между двумя типами исходных данных даёт расхождение в 3,3% при подсчёте изменения площади 21 тестового ледника. Это расхождение существенно меньше, чем наблюдаемая величина сокращения площади ледников, и вполне допускает возможность применения данных Каталога для оценки изменений, произошедших с ледниками Алтая за последние полвека.

На территории Северо-Чуйского и Южно-Чуйского хребтов, охваченной снимками ASTER, были определены положения и оцифрованы контуры 256 ледников. 223 из них сохранили свою целостность и соответствующие позиции в Каталоге, а 16 ледников распались на 34 самостоятельных объекта. Общее сокращение площади составило 82 км², или 24,4±5,8% по сравнению с данными Каталога ледников.

Максимально сократились ледники с площадью менее 0,5 км² (50,8%) – как раз те, где на погрешности данных Каталога накладываются ошибки, обусловленные проблемами дешифрирования на пределе разрешающей способности космических снимков ASTER. Если же исключить эту группу из рассмотрения, то для оставшихся ледников мы получим 19,7±5,8% (вместо 24,4±5,8%). По-видимому, эта величина более корректно характеризует степень сокращения ледников в данном районе.

Примеры изменения положения границ крупных ледников за этот период показаны ниже.

Сокращение площади ледников Катунского хребта . По данным Каталога ледников СССР, при составлении которого использовались данные АФС 1952 года, на Катунском хребте было зафиксировано 336 ледников общей площадью 281,5 км² (без учёта ледников меньше 0,1 км². Результаты дешифрирования снимков CORONA показали, что к 1968 г. количество ледников сократилось до 322. При этом 14 ледников суммарной площадью 2,1 км² исчезли, а площадь оставшихся сократилась до 264,6 км² . К 2008 г., по результатам обработки снимков ALOS PRISM, на Катунском хребте осталось 313 ледников общей площадью 208 км² (ещё девять ледников суммарной площадью 1,36 км² не удалось обнаружить по снимкам).

С 1952 по 2008 г. площадь всей ледниковой системы Катунского хребта сократилась на 73,3 км² (26,1%). Вклад каждого конкретного ледника в эту цифру зависит от его размеров. Для оценки этого вклада было подсчитано распределение величины сокращения по пяти группам ледников (< 0,5 км²; 0,5–1 км²; 1–2 км²; 2–5 км²; > 5 км²)

Сравнение с Каталогом не вполне адекватно характеризует изменения площади ледников за прошедший период, так как для ледников площадью более 5 км² эта величина получилась с отрицательным знаком, хотя наземными наблюдениями подтверждается их непрерывное сокращение (Нарожный и др., 2006). Возможные причины такого результата – в неоднородности используемых массивов данных или различиях в методах определения положений границ ледников. Доля таких ледников в общей площади и величина отклонений слишком велики, чтобы можно было ими пренебречь. Во время исследований на Северо- и Южно-Чуйском хребтах для проверки корректности данных Каталога была использована выборка из 21 ледника, для которых была выполнена оценка погрешности с помощью аэрофотоснимков 1952 г., составившая приемлемую величину 5,8% (Носенко и др., 2013). В данном случае такой возможности не было, поэтому для корректной оценки и анализа произошедших изменений были использованы результаты обработки снимков CORONA и ALOS PRISM, обеспечивающих однородный массив исходных данных и достаточно представительный 40-летний интервал наблюдений.

В пределах исследуемой территории наблюдалась значительная изменчивость в отступании ледников (вплоть до полного исчезновения) в зависимости от их морфологических типов, размеров и локальных особенностей условий питания. Распределение величины сокращения для ледников площадью более 0,1 км² между 1968 и 2008 гг. в зависимости от их размера показано ниже.

Максимальная величина сокращений отмечена для группы ледников с площадью менее 0,5 км² – 43,5%, минимальная для группы ледников более 5 км² – 7,5%, а ледники площадью 1–2 км сократились на 23,2%, что ближе всего соответствует изменению ледниковой системы в целом (21,4%).

Оледенение Катунского хребта представлено шестью морфологическими типами, которые в разной степени отреагировали на изменения климата, произошедшие за 40 лет. Максимально (более чем на 40%) сократились висячие и каровые ледники, а меньше всего (13,2%) – долинные. При относительно небольшом количестве они составляют более 50% всей площади оледенения и среди них находятся самые крупные ледники Катунского хребта: Сапожникова (21,45 км²), Родзевича (13,81 км²), братьев Троновых (13,39 км²). Биже всего к среднему сокращению всей ледниковой системы находятся карово-долинные ледники – 25,2%.

При необходимости организации мониторинга состояния ледниковой системы наземными методами эти показатели могут быть использованы в качестве критериев для определения степени репрезентативности ледника для конкретной ледниковой системы. В данном случае для Катунского хребта его надо искать среди долинных или карово-долинных ледников с площадью от 1 до 5 км².

Сокращение площади ледников разных экспозиций по-видимому, отражает общий характер условий питания ледников Катунского хребта, обусловленных сложным взаимодействием западного и юго-западного переноса воздушных масс с орографией этой горной страны. Меньше всего сократились ледники, ориентированные навстречу влагонесущим потокам, и наоборот, ледники северной и северо-восточной экспозиции, находящиеся в ветровой тени, сократились больше всего.

Полученные показатели сокращения площади ледников характеризуют изменения всей ледниковой системы Катунского хребта. Однако она имеет большую протяжённость (более 130 км) в широтном направлении и неоднородность условий существования ледников в связи со сложной орографией и значительной высотой рельефа. Самая высокая восточная часть, включающая массив горы Белуха, служит серьёзным препятствием для влагонесущих воздушных масс, что способствует формированию здесь мощного узла оледенения.

По материалам съёмки ASTER 2012 г. на этот участок хребта, выполнена оценка динамики границ ледников этого района. Для 60 ледников, попавших в зону перекрытия трёх разновременных космических снимков, была выполнена оценка площади ледников в 1968, 2008 и 2012 гг. Её величина составила 145,43, 122,29 и 118,33 км² соответственно. Поскольку в число ледников попадают крупные долинные ледники массива горы Белуха, то показатель сокращения этого района за 1968–2008 гг. (15,9%) существенно отличается от общего по всему Катунскому хребту (21,4%). Дополнительный временнóй интервал с 2008 по 2012 г., когда площадь этих ледников сократилась ещё на 2,7%, позволяет сравнить среднегодовые скорости её изменения. С 1968 по 2008 г. она составляла 0,58 км² (0,40%) в год, а за последние четыре года увеличилась до 0,99 км² (0,68%) в год – более чем в полтора раза. Подобное ускорение деградации ледников отмечается в последнее десятилетие и в других горных районах – на Кавказе, Полярном Урале, в горах Сунтар-Хаята (Галанин и др., 2013; Носенко и др., 2013; Shahgedanova et al., 2012).

Различия в динамике границ шести самых крупных ледников массива горы Белуха демонстрируют влияние на этот процесс особенностей их строения, основного направления влагопереноса и экспозиции ледников. Все эти ледники берут начало на склонах Белухи и относятся к одному – долинному – типу, но при этом диапазон сокращений их площади за весь период наблюдений весьма широк – от 5,1 до 17,9%. Сокращение площади происходит в основном за счёт отступания языков ледников. Больше всего сокращается площадь Большого и Малого Берельских ледников. Области их питания представляют собой крутостенные цирки, расположенные в «ветровой тени» массива горы Белуха, поскольку основные влагонесущие потоки приходят с запада. Дополнительный отрицательный эффект создаёт их южная экспозиция, увеличивающая интенсивность процессов таяния.

Ледник Братьев Троновых находится в более благоприятных условиях благодаря ориентации на запад, навстречу основным влагонесущим потокам, и наличию обширной области питания – Западного плато горы Белуха. Язык ледника покрыт мощным моренным чехлом, и его отступание за прошедшие 44 года было незначительным. Среди ледников массива Белухи потеря его площади минимальна – 0,91 км² (5,1%).

На втором месте (1,25 км², или 6,2%) – ледник Сапожникова, имеющий самую большую область питания среди остальных ледников массива, она расположена в диапазоне высот от 3000 до 4000 м и примыкает к плато Белухи с востока. Это обстоятельство, по-видимому, служит основным фактором его устойчивости в условиях современных изменений климата.

У ледника Родзевича, ориентированного на север, областью питания фактически служит 1000-метровая стена Белухи, которая обеспечивает регулярное поступление снежных масс на дно цирка и защищает их от прямого солнечного воздействия с юга. Благодаря этому «механизму» ледник сокращается с относительно невысокой скоростью. Однако в последние годы скорость сокращения ледника возросла почти вдвое.

Морфология и ориентация ледника Геблера обеспечивают ему промежуточное положение среди ледников Белухи по сочетанию перечисленных выше факторов. Но и у этого ледника отмечается двукратный рост скорости сокращения площади за последние годы.

Площадь ледника Сапожникова по данным Каталога ледников СССР на 1952 год составляла 13,2 км², а по снимкам CORONA 1968 г. она оценивается в 21,45 км². Такая существенная разница (8,4 км²) заставляет вернуться к оценке возможности использования данных Каталога для анализа изменений площади ледников. При оценке изменений за 1952–2008 гг. в группе ледников площадью более 5 км², расположенных в Катунском хребте, были получены положительные значения (см. табл. 17). В эту группу входят всего шесть ледников, и только для ледника Сапожникова было обнаружено такое существенное несоответствие в размерах по данным Каталога и космической съёмки. Об этом также упоминалось в публикациях Ю.К. Нарожного и С.А. Никитина (Нарожный, 2001б; Нарожный, Никитин, 2003).

Если использовать для анализа изменений значение площади ледника Сапожникова, полученное по данным космической съёмки 1968 г., то очевидное несоответствие в виде увеличения площади самых крупных ледников с 1952 по 2008 г. исчезает. Но это не означает, что результаты измерения площади остальных ледников лишены погрешностей. Для Северо- и Южно-Чуйских хребтов с помощью АФС 1952 г. была выполнена оценка погрешности определения площади ледников в Каталоге, величина которой не превысила 5,8% (Shahgedanova et al., 2010). Учитывая сходство в исходных материалах и методах их обработки для данных частей Каталога (т. 15, ч. 4, 5, 6), можно применить эту величину погрешности и для ледников Катунского хребта.

Временнóй интервал оценки сокращения для Северо-Чуйских и Южно-Чуйских ледников был ограничен 2004 годом из-за отсутствия более поздних кондиционных космических снимков. К 2004 г. сокращение ледников площадью менее 0,1 км² составило 24,4% (Носенко и др., 2010). Для удобства сравнения с Катунскими ледниками можно продлить временнóй интервал до 2008 г. Увеличение промежутка времени в четыре года позволяет использовать для этой цели линейную интерполяцию по среднегодовой скорости сокращения за предыдущий период. За прошедшие 52 года её величина составила 1,57 км² в год. Если учесть рост сокращения ледников в последнее десятилетие как минимум в 1,5 раза, то к 2008 г. ледники Северо- и Южно-Чуйского хребтов должны были сократиться ещё на 9,42 км². В итоге получаем, что с 1952 по 2008 г. ледники Катунского хребта сократились на 28,3±5,8%, а ледники Северо- и Южно-Чуйского хребтов – на 27,1±5,8%

Как уже отмечалось (Носенко и др., 2010), ошибки определения площадей в Каталоге ледников резко возрастают для ледников с размерами менее 0,5 км². Если учесть это обстоятельство и исключить из рассмотрения эту группу ледников, то для ледников Катунского и Северо- и Южно-Чуйского хребтов получим 22,5±5,8% и 21,0±5,8% соответственно. Разница в 1,5% может быть следствием ошибок и принятых допущений, а также отражать реальное соотношение интенсивности процессов сокращения ледников этих районов, обусловленное различиями ороклиматических условий.

Оценка изменений объема ледников. Полученные значения площадей ледников были использованы для расчёта их объёмов на соответствующие годы. Использованы корреляционные зависимости, полученные по данным наземного радиозондирования 131 алтайского ледника, в числе которых 46 долинных, 36 карово-долинных, 29 каровых и карово-висячих и шесть котловинных и плосковершинных (Никитин, 2009). Зависимости между объёмами и площадями для разных типов ледников были аппроксимированы соотношениями в виде степенных функций (рис. 72). Расчёты показали, что к 2008 г. ледники Катунского хребта потеряли 4,22 км³ (28,1±5,8%) льда (табл. 22). Объём ледников на Северо- и Южно-Чуйском хребтах за этот же период сократился на 4,67 км³ (26,9±5,8%). Без учёта ледников площадью меньше 0,5 км² эти значения уменьшатся до 3,23 км³ и 3,47 км³ соответственно.

Сокращение ледников Горного Алтая наблюдалось на всём протяжении второй половины ХХ в. и в начале текущего столетия. К 2008 г. площадь ледников Катунского, Северо- и Южно-Чуйского хребтов сократилась на 172,4 км², а их объём уменьшился на 8,9 км³, или на 27,4%. Сравнение космических снимков 2004 и 2012 гг. с историческими данными прошлого века позволяет сделать вывод об увеличении скорости сокращения ледников в последнее десятилетие в 1,5–2 раза.

Сокращение конкретного ледника зависит от сочетания факторов рельефа и климата, определяющих его строение, размеры, высотный диапазон и ориентацию относительно влагонесущих потоков. Отдельные крупные долинные ледники массива горы Белуха сократились за 1968–2012 гг. на 3,1–15,1 км². Наиболее репрезентативны для данной ледниковой системы долинные или карово-долинные ледники площадью от 1до 5 км².

По данным трёх метеостанций – Аккем (2050 м), Кара-Тюрек (2600 м) и Актру (2025 м), расположенных в непосредственной близости от ледниковой зоны, основные климатические показатели – средняя летняя температура воздуха и атмосферные осадки за последние десятилетия непрерывно возрастали (Surazakov et. al., 2007). Аналогичная ситуация наблюдается в настоящее время и в других горных районах России (Кавказ, Полярный Урал, невулканические районы Камчатки), где рост летних температур не компенсируется увеличением осадков. По всей видимости, и в данном случае рост летних температур представляет собой определяющий фактор сокращения ледников Горного Алтая.