Wyprawa na Antarktydę: Monitorowanie podstawowych zmiennych klimatycznych za pomocą GNSS

W listopadzie 2021 r. dr Ladina Steiner spojrzała na lodową przestrzeń szelfu lodowego Ekström na Antarktydzie, znajdującą się na przecięciu dziecięcego marzenia o dołączeniu do wyprawy na Antarktydę i jej obecnych badań glacjologicznych opartych na geodezji.

W poprzednich miesiącach nie tylko zaaranżowała konfigurację eksperymentu, który miał działać zdalnie i przetrwać rok w jednym z najtrudniejszych środowisk na świecie, ale także poradziła sobie z wyzwaniami i niepewnością logistyczną, kierując projektem podczas pandemii.

Ostatecznie jej wytrwałość i przygotowanie opłaciły się: między silnymi burzami i sporadycznymi obserwacjami fok i pingwinów Steiner przeprowadziła eksperyment, aby przetestować nową metodę szacowania bilansu masy powierzchniowej na miejscu poprzez opracowanie połączonej metody refraktometrii i reflektometrii GNSS.

Wyposażona w anteny GNSS Leica Geosystems AS10 i odbiorniki Leica GR10, Steiner była w stanie nieprzerwanie zbierać dane przez ponad rok, otwierając obiecującą drogę do wykorzystania GNSS, aby pomóc naukowcom zrozumieć wpływ zmian klimatycznych na utratę masy pokrywy lodowej i wzrost poziomu morza.  

Podróż na Antarktydę    

 

 

 

Podróż Steiner na Antarktydę rozpoczęła się na długo przed tym, jak uzyskała doktorat z inżynierii geomatycznej lub została badaczem podoktorskim w niemieckim Instytucie Alfreda-Wegenera w dziedzinie glacjologii:

"Po obejrzeniu filmu dokumentalnego moim marzeniem z dzieciństwa była podróż na Antarktydę jako badacz i zobaczenie pingwinów w ich prawdziwym środowisku. W pewnym sensie dążyłam do tego przez całe życie", mówi.

"Zawsze bardzo interesowały mnie tematy badawcze związane z monitorowaniem środowiska. Ziemia jest podstawą naszego życia, a zrozumienie jej procesów pozwala nam opracowywać realistyczne modele i przewidywać przyszłe scenariusze, takie jak konsekwencje zmian klimatu" - wyjaśnia Steiner. 

 

Badanie bilansu masy powierzchniowej w celu zrozumienia zmian klimatu   

W szczególności Steiner skupiła się na obserwacji zmian bilansu masy Antarktydy, które mogą znacząco przyczynić się do wzrostu globalnego poziomu mórz.

"Przewiduje się, że w następstwie ocieplenia klimatu rosnące globalne temperatury doprowadzą do zwiększonego zrzutu stałego lodu, topnienia powierzchni i bilansu masy powierzchniowej (SMB) w przyszłych dziesięcioleciach" - mówi Steiner.

Jednak pobieranie dokładnych danych na miejscu, w czasie rzeczywistym w środowiskach polarnych w celu monitorowania tych zmian jest trudne i rzadkie, co powoduje niepewność w obliczeniach i prognozach:

"Podczas gdy akumulację śniegu można uzyskać na różne sposoby, konwersja na masę wymaga znajomości gęstości śniegu, co jest trudniejsze do uzyskania" - wyjaśnia Steiner.

"Techniki ręczne, takie jak wykopy śnieżne, są pracochłonne i destrukcyjne oraz mają niską rozdzielczość czasową i przestrzenną. Wiążą się one również z wysokimi kosztami i nieregularnym czasem wizyt w niedostępnych logistycznie regionach, takich jak pokrywy lodowe Antarktydy lub Grenlandii".

Innowacyjna akwizycja danych za pomocą GNSS    

Rozwiązanie tego problemu polega na połączeniu refraktometrii GNSS i reflektometrii (RR) w celu automatycznego i ciągłego pomiaru SMB na szybko poruszających się pokrywach lodowych i szelfach, umożliwiając dokładne i jednoczesne oszacowanie gęstości, masy i akumulacji śniegu.

"Ta połączona technika byłaby bardzo korzystna dla ciągłej i prawidłowej kwantyfikacji SMB pokrywy lodowej. Podejście to mogłoby uzupełnić lub zastąpić ręczne gromadzenie danych na miejscu, prowadząc do zmniejszenia wydatków i poprawy wyników" - mówi Steiner.

Reflektometria GNSS gromadzi dane z sygnałów GNSS odbitych od powierzchni śniegu do anteny, dostarczając cennych informacji na temat zmian wysokości i tekstury powierzchni, które można wykorzystać do śledzenia akumulacji śniegu.

Dodanie jej niedawno opracowanej metody refraktometrii, w której sygnały GNSS są załamywane podczas podróży przez śnieg, aby dotrzeć do zakopanej anteny, dostarcza danych potrzebnych do oszacowania masy śniegu na górze czujnika.

"Łącząc te dwie metody", mówi Steiner, "możemy określić gęstość śniegu w warstwie zakopanej nad GNSS. Informacje te można wykorzystać do kalibracji produktów teledetekcyjnych lub walidacji regionalnych modeli klimatycznych".

"Podejście badawcze jest bardzo unikalne", wyjaśnia. "Jest to pierwsze opracowanie i zastosowanie połączonego systemu monitorowania śniegu GNSS-RR oraz pierwsze zastosowanie refraktometrii GNSS w środowisku polarnym i na szybko poruszającej się powierzchni gruntu". 

Czujniki GNSS o wysokiej dokładności do pracy w ekstremalnych warunkach  

Aby przetestować to podejście, Steiner potrzebowała bardzo dokładnych, wytrzymałych i niezawodnych anten GNSS do ciągłego zbierania sygnałów GNSS podczas eksperymentu.

"Potrzebowałam czujników GNSS, które są łatwo dostępne zdalnie i zdolne do śledzenia sygnałów GNSS o wielu częstotliwościach z wysoką niezawodnością i dokładnością. Ze względu na odległe miejsce zastosowania, zmiana czujników, gdy coś nie działa, nie wchodzi w grę. Dlatego wysokiej klasy sprzęt GNSS jest najlepszym rozwiązaniem". 

We współpracy z Leica Geosystems wybrała dwie anteny Leica AS10 GNSS wraz z dwoma konfigurowalnymi odbiornikami Leica GR10 GNSS, zdolnymi do przesyłania codziennych pakietów danych do Niemiec. Używając tego sprzętu do wcześniejszych testów w alpejskim środowisku lodowcowym podczas studiów doktoranckich na ETH Zurich, Steiner znała i ufała, że instrumenty będą działać zgodnie z wymaganiami.

"Sprzęt Leica jest odporny na wodę i kurz w ekstremalnych warunkach pogodowych Antarktydy. Dodatkowo, funkcje takie jak przechowywanie i przepływ danych, zdalny dostęp, konfigurowalne śledzenie i rejestrowanie danych oraz inne wbudowane funkcje sprawiły, że system ten był właściwym wyborem dla moich badań" - kontynuuje Steiner.

"Byłam bardzo szczęśliwa, że otrzymałam sprzęt od Leica Geosystems, ponieważ moje fundusze na badania nie mogły pokryć wysokiej klasy sprzętu. Dzięki temu mogłam skupić się na odpowiadaniu na pytania badawcze, ponieważ problemy z instrumentami zostały zredukowane do minimum".

Przygotowanie do wyprawy  

Wybór sprzętu był jednak tylko jednym z aspektów złożonych przygotowań Steiner:

"Planowanie eksperymentu terenowego i całej logistyki wiązało się z wysokim poziomem niepewności, w tym pogody i infrastruktury, co zostało spotęgowane przez okoliczności COVID-19" - zastanawia się Steiner.

"Aby zbudować eksperyment z wyprzedzeniem jeszcze z Europy, musiałam znać wszystkie szczegóły dotyczące istniejącej odległej infrastruktury w niemieckiej stacji badawczej Neumayer III i na miejscu".

Dodatkowo Steiner przygotowała się do środowiska Antarktydy, biorąc udział w kursie bezpieczeństwa na lodowcu w austriackich Alpach, gdzie nauczyła się zakładać kotwicę ratunkową na śniegu, samodzielnie ratować się ze szczeliny i odpychać się od szelfu lodowego.

Po locie z Frankfurtu w Niemczech do Kapsztadu w RPA, dwutygodniowej kwarantannie i noclegu w namiocie na Antarktydzie z powodu opóźnionego lotu przesiadkowego, w końcu dotarła do szelfu lodowego Ekström i Neuymayer III. 

Pod północnym słońcem: Instalacja czujnika i odbiornika 

"Na pracę w terenie duży wpływ miała sytuacja pogodowa", wspomina Steiner. "Faktyczna instalacja została przełożona o wiele dni z powodu silnej burzy (70 węzłów), podczas której nie można było opuścić stacji badawczej".

Podczas gdy na zewnątrz szalała burza, Steiner kalibrowała i sprawdzała anteny i odbiorniki, upewniając się, że wszystko jest gotowe, gdy następna zmiana pogody pozwoli na instalację.

"Mieliśmy krótkie okno na przygotowanie eksperymentu między opadami śniegu a kolejną burzą, aby móc zmierzyć śnieg i przetestować sprzęt. Zapewniłoby to niezależne działanie systemu w bardzo niskich temperaturach" - kontynuuje.

Pierwsza antena AS10 GNSS została zainstalowana na istniejącym maszcie czujnika wysokości śniegu w celu odniesienia i reflektometrii, podczas gdy druga została przymocowana do poziomego słupa mierzącego śnieg, który gromadził się na nim przez cały rok. 

Gdy zbliżała się kolejna burza, ostatni element konfiguracji musiał poczekać. Gdy pojawiło się dobre okno pogodowe, Steiner i jej zespół zainstalowali odbiorniki GNSS GR10, a ich pracę oświetlało północne słońce Antarktydy.

Aby uzyskać więcej informacji na temat wyprawy i podróży, w tym konfiguracji technicznej anten i odbiorników, obejrzyj vlog Steinera, Fieldwork in Antarctica. 

Rok później: Wyniki   

Wytrzymałe czujniki o wysokiej dokładności i możliwości zdalnego dostępu umożliwiły firmie Steiner monitorowanie i przetwarzanie sygnałów z obszaru testowego, zapewniając spójny zestaw danych w ciągu roku z obiecującymi wynikami wykorzystania metody GNSS RR do szacowania masy śniegu.

"Podczas gdy planowanie prac terenowych na Antarktydzie było bardzo trudne ze względu na trudną dostępność i odległe położenie, byłem przekonany, że sprzęt Leica GNSS będzie niezawodnie działał w tym trudnym środowisku. Przez cały czas trwania eksperymentu zbierał i przesyłał cenne dane bez żadnych problemów" - mówi Steiner.

Poniżej wyjaśnia jeden ze swoich wyników:

"Powyższy wykres przedstawia jeden z wyników projektu. Nagromadzenie śniegu od początku eksperymentu jest wykrywane przez obie niezależne techniki GNSS-RR z wysokim poziomem zgodności. Ogólny trend dobrze pasuje do odniesienia zmierzonego przez laserowy czujnik odległości (niebieski). Przesunięcie między SWE uzyskanym za pomocą refraktometrii GNSS, przekształconym w akumulację śniegu przy użyciu obserwacji średniej gęstości, a laserem jest spowodowane dużą zmiennością odkładania się śniegu w małej skali z powodu silnych burz. Akumulacja śniegu uzyskana za pomocą reflektometrii GNSS (jasnoniebieski) zawiera wszystkie wariacje (jasnoniebieskie tło), ponieważ tą techniką obserwowany jest większy obszar."

Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź jej multimedialną sesję plakatową online na konferencję Amerykańskiej Unii Geofizycznej 2022, która szczegółowo opisuje cele, metody i wyniki jej pracy na Antarktydzie.

Kobiety w naukach inżynieryjnych: dążenie do celu pomimo wyzwań

Przypadek ten stanowi jednak nie tylko obietnicę nowej metody teledetekcji GNSS, ale także potencjał dla badaczy takich jak Steiner do przezwyciężenia szeregu wyzwań sytuacyjnych, w tym różnic w równouprawnieniu płci:

"Ze względu na ograniczoną liczbę stanowisk badawczych i krótkie okresy obowiązywania umów, dyskryminacja w badaniach jest dość powszechna" - opisuje Steiner. "Jest to szczególnie widoczne w przypadku kobiet zajmujących się naukami inżynieryjnymi". 

"Posiadanie jasnego celu, praca nad spełnieniem naszych marzeń, silna wiara w nasze mocne strony i współpraca z niezależnymi ekspertami pomaga przezwyciężyć takie wyzwania" - radzi.

"Wiedziałam, że szanse na wzięcie udziału w wyprawie na Antarktydę są niewielkie, ale ponieważ studiowałam na kierunkach związanych ze środowiskiem i techniką, zawsze pamiętałam o marzeniu o Antarktydzie jako celu zawodowym. Z każdą możliwością pracy starałem się do niego zbliżyć, pozostając jednocześnie otwartym na inne interesujące ścieżki".

Ostatecznie było to udane podejście dla Steinera:

"Niesamowicie było spełnić swoje marzenie z dzieciństwa i doświadczyć tej ekscytującej wyprawy. Byłam zachwycona wszystkim, stacją, badaniami, techniką, środowiskiem i oczywiście widokiem pingwinów i fok".

"A teraz, gdy spełniłam swój największy cel, jestem otwarta na nowe wyzwania".