Teledetekcyjne badania wysychania Morza Kaspijskiego

Morze Kaspijskie – największe jezioro na świecie – od lat systematycznie się kurczy. Jeszcze w 1930 roku powierzchnia akwenu wynosiła około 440 tys. km kw. Teraz to „już tylko” 370 tys. km kw. I na tym, najprawdopodobniej, się nie skończy. Analizy teledetekcyjne wykorzystujące zaawansowane programy i algorytmy unaoczniają skalę tego zjawiska.
Autor: KACPER SOBCZAK

Fragment wybrzeża Morza Kaspijskiego na zdjęciach satelitarnych z 2002 r. (z lewej) i z 2022 r. (z prawej)

Zdaniem naukowców do końca XXI wieku powierzchnia Morza Kaspijskiego może zmaleć do zaledwie 244 tys. km² (ryc. 1), a poziom lustra wody obniżyć się o 9–18 metrów (Prange M. i in., 2020). Odpowiada za to znaczny wzrost parowania jeziora, którego nie równoważą zrzuty z rzek i opady.

• Kilka faktów o Morzu Kaspijskim

Morze Kaspijskie jest bezodpływowym słonym jeziorem reliktowym leżącym częściowo w zachodniej Azji i we wschodniej Europie. Obecnie jego maksymalna głębokość to 1025 m, a wysokość lustra wody – 28 metrów p.p.m. Na północ od akwenu znajduje się największa powierzchniowo depresja – Nizina Nadkaspijska.
Średnie zasolenie wynosi 10–12‰, ale w zamkniętej zatoce Kara-Bogaz-Goł sięga nawet 300‰. Największą rzeką wpadającą do jeziora jest Wołga, która odpowiada za 80% wód wpływających. W Morzu Kaspijskim żyją jesiotry, których ikra ceniona jest na całym świecie – to jeden z lepszych rodzajów kawioru. W starożytności jezioro nosiło różne nazwy: Ocean Hyrkański, Morze Azarskie i Morze Kwalijskie.
Obecnie do jeziora ma dostęp pięć państw: Kazachstan, Rosja, Turkmenistan, Iran i Azerbejdżan. Z kolei największe miasta położone nad Morzem Kaspijskim to: Baku (2,065 mln mieszkańców, Azerbejdżan), Machaczkała (578 tys. mieszkańców, Rosja), Raszt (557 tys. mieszkańców, Iran) oraz Astrachań (521 tys. mieszkańców, Rosja). Niewykluczone, że w przyszłości ośrodki te podzielą los Aralska, które utraciło funkcje portowe wraz z wysychaniem Jeziora Aralskiego.

Ryc. 1. Prognozowany poziom Morza Kaspijskiego na koniec XXI wieku. Obszarom czerwonym grozi wyschnięcie (źródło: Prange M. i in., 2020)

• Materiały do analizy

W niniejszym artykule omówione zostały wyniki analizy dotyczącej północnej części Morza Kaspijskiego. W ramach badania porównano dwa zobrazowania satelitarne, które dzieli 20 lat – wykonane w podobnym okresie roku (miesiące ciepłe, maks. 20 dni różnicy), o pokryciu chmur nieprzekraczającym 10% i pikselu terenowym wynoszącym 30 m. Pierwszy z obrazów pozyskał satelita Landsat 7 28 maja 2002 r., drugi – satelita Landsat 8 16 czerwca 2022 r. Materiały te pobrano z EarthExplorer.
Zdjęcia zostały następnie przycięte do wymiarów 6000 x 3300 pikseli (ryc. 2) i powierzchni 17 820 km² (jest to obszar zbliżony wielkością do województwa podkarpackiego). Jednak ostatecznej analizie poddano 92% scen, czyli około 16 381 km².
Wszystkie badania i będące ich wynikami mapy wykonano w aplikacji Envi firmy Esri.

Ryc. 2. Od lewej: położenie analizowanego obszaru (kolor czerwony) na tle basenu Morza Kaspijskiego oraz analizowane obrazy w naturalnych kolorach (kanały Red, Green, Blue); na górze zdjęcie z 28 maja 2002 r., na dole – z 16 czerwca 2022 r.

• Klasyfikacja nienadzorowana

Pierwszą czynnością, którą wykonano, była klasyfikacja nienadzorowana polegająca na wstępnym podziale na klasy pikseli o zbliżonych wartościach spektralnych. Po wstępnej analizie wydzielone zostały następujące klasy (ryc. 3):
• obszary poza zasięgiem (na obu zdjęciach);
• obszary lądowe (na obu zdjęciach);
• wilgotne obszary lądowe (na obu zdjęciach);
• obszary wodne (na zdjęciu z 2002 r. wydzielone zostały 2 klasy wody – „woda z ciemniejszym dnem” oraz „woda z jaśniejszym dnem”, natomiast na zdjęciu z 2022 r. – „woda i obszary zacienione”; zacienienia, z powodu obecności chmur, występują tylko na późniejszym zdjęciu);
• chmury i jasny piasek z płytką wodą (tylko na drugim zdjęciu).

Ryc. 3. Klasyfikacje nienadzorowane i podział obszaru na 5 klas. Porównanie zdjęć z lat 2002 i 2022

Klasyfikacja nienadzorowana okazała się całkiem pomocna. Dzięki niej stwierdzono m.in., że obszary poza zasięgiem na obu zdjęciach zajmują inny procent powierzchni: na wcześniejszym – 10,3%, a na późniejszym – 5,9%. Jednak taka różnica nie powinna wpływać na ogólny wynik badania. Ponadto, co zdecydowanie istotniejsze, odnotowano znaczne skurczenie się powierzchni obszarów wód – z 33,2% do 16,0% (nawet jeśli na zdjęciu z 2022 r. do obszarów wodnych zostały sklasyfikowane chmury).

• Wskaźniki teledetekcyjne

Aby otrzymać dokładniejsze i bardziej wiarygodne wyniki, ponadto zostały obliczone trzy popularne teledetekcyjne wskaźniki:
• NDWI – znormalizowany różnicowy wskaźnik wody (Normalized Difference Water Index) informujący o stanie (zmianach) zawartości wody (absorpcja promieniowania SWIR) w roślinności (wykrywanej na podstawie NIR). Im większa wartość wskaźnika, tym więcej wody w roślinach.
• NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – wskaźnik pozwalający odróżnić roślinność od innych rodzajów pokrycia terenu oraz określić fazę rozwojową i kondycję roślin. NDVI umożliwia zdefiniowanie i zwizualizowanie obszarów porośniętych roślinnością na mapie, a także wykrycie gorszego stanu roślin.
• NDII (Normalized Difference Infrared Index) – współczynnik wrażliwy na zmiany zawartości wody w roślinności. Wartość wskaźnika wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wody w badanej roślinie.
W celu obliczenia powyższych wskaźników użyto czterech kanałów spektralnych:
• Red – współczynnik odbicia w kanale czerwonym,
• NIR – współczynnik odbicia w kanale bliskiej podczerwieni,
• SWIR1 – współczynnik odbicia w kanale średniej podczerwieni,
• SWIR2 – współczynnik odbicia w kanale średniej podczerwieni.

• NDWI

Najpopularniejszym wskaźnikiem, za pomocą którego można wyznaczyć powierzchnię akwenów, jest NDWI. Dla obszarów wodnych przyjmuje on wartość powyżej 0 (ryc. 4).

Ryc. 4. Porównanie obszaru sklasyfikowanego za pomocą wskaźnika NDWI

Na obrazie z 2002 r. woda zajmuje 30,93% powierzchni sceny, natomiast z 2022 r. – już tylko 12,92%. Zatem na analizowanym obszarze w ciągu 20 lat tereny pod wodami zmniejszyły się o 58%. Natomiast jeśli pod uwagę weźmie się wyłącznie obszar poddany klasyfikacji (bez tła), spadek sięgnie 56%. Tym samym badanie bazujące na wskaźniku NDWI potwierdza wyniki wcześniejszej klasyfikacji nienadzorowanej.

• NDVI

Podobne wyniki otrzymano również dla klasyfikacji NDVI, w której wartość wskaźnika poniżej 0 często oznacza obszar wodny (ryc. 5). W 2002 r. woda zajmowała 31,77% powierzchni, a 20 lat później – 13,39%. Daje to spadek na poziomie 58%, a w wartościach bezwzględnych – o około 3100 km² (z 5,4 tys. km² do 2,3 tys. km²). Jest to w przybliżeniu 6-krotność powierzchni Warszawy.

Ryc. 5. Porównanie obszaru sklasyfikowanego za pomocą wskaźnika NDVI

W odróżnieniu jednak od analizy NDWI znaczna większość tła została sklasyfikowana w przedziale „0–0,04”. Klasyfikacja NDVI przyniosła również dodatkowe informacje o roślinności, której kondycja na badanym obszarze nie jest najlepsza.
Ponadto, aby lepiej zwizualizować problem, dwa obrazy NDVI – wyniki klasyfikacji – porównano ze sobą (ryc. 6). Duże zmiany dotknęły 17% całego obszaru, co stanowi potwierdzenie wcześniejszych obliczeń i postępującego wysychania Morza Kaspijskiego.
W ramach badania obliczono także wskaźnik NDII, jednak otrzymane wyniki uznano za niezadowalające i odrzucono.

Ryc. 6. Zmiany obliczone za pomocą wskaźnika NDVI. Po lewej: im jaśniejszy obszar, tym większe zmiany; po prawej: na niebiesko zaznaczono wyłącznie obszary, które doświadczyły dużych zmian (zmniejszenie obszaru wodnego)

• Konieczne działania

Wskaźniki NDWI i NDVI można z powodzeniem stosować do analizowania zmian obszarów wodnych. Otrzymane z ich wykorzystaniem wyniki okazał się bardzo podobne i potwierdziły postępujące kurczenie się Morza Kaspijskiego. Jeżeli organizacje zarówno rządowe, jak i pozarządowe poważnie nie zainteresują się rozwiązaniem tego problemu lub chociaż nie podejmą działań zmierzających do zmniejszenia wysychania, to Morze Kaspijskie czeka podobny los jak Jezioro Aralskie. Już teraz bowiem zanik akwenu jest bardzo widoczny.

Literatura:
• Prange, M., Wilke, T. & Wesselingh, F.P. „The other side of sea level change”. „Communications Earth & Environment” 1, 69 (2020).