"С высокой степенью вероятности лед в Арктике будет продолжать таять, а безледный период будет увеличиваться"

В связи с развитием судоходства по Северному морскому пути растет спрос на своевременную и качественную информацию о состоянии ледовой обстановки. О современных научных способах изучения льдов в Арктике в интервью Sudostroenie.info рассказал директор фонда Нансен-Центр Игорь Львович Башмачников.

– Игорь Львович, расскажите об истории центра. Когда была создана организация?

– Нансен-Центр был основан более 30 лет назад, в 1992 году, академиком Кириллом Яковлевичем Кондратьевым и профессором Ола М. Йоханнессеном из Норвегии. У центра шесть учредителей. Это: Санкт-Петербургский государственный университет, Карельский научный центр Российской Академии Наук (РАН), Центр экологической безопасности РАН, Нансен-Центр из г. Берген, Бергенский университет (оба из Норвегии) и Общество Макса Планка (Мюнхен, Германия). Учредители наблюдают за тем, чтобы деятельность центра осуществлялась в рамках устава, т.е. ориентировалась на развитие научных исследований, а средства получаемых в рамках проектного финансирования, в том числе и по коммерческим проектам, направлялись на содержание и дальнейшее развитие самого Центра, а также оплату работы коллектива. Хотя у нас практически одинаковое название с норвежским Нансен-Центром, но мы отдельная независимая научная организация, действующая по российскому законодательству.

В самом начале своего существования Нансен-Центр занимал небольшое помещение, любезно предоставленное Центром экологической безопасности в Санкт-Петербурге. Потом Нансен-Центр переехал в отдельное здание на Петроградской стороне, а с 2005 года находится по нынешнему адресу на Васильевском острове Санкт-Петербурга. В 2002 году Нансен-Центр был аккредитован Министерством промышленности, науки и технологий РФ как научная организация. Нансен-Центр существует исключительно на средства научных грантов, которые мы получаем для выполнения различных проектов в рамках общегосударственных конкурсных процедур.
 
– Какие это проекты?

– Раньше мы много участвовали как в российских, так и в международных научных проектах. Были такие международные проекты INTAS (проекты Международной ассоциации по содействию сотрудничеству с учеными новых независимых государств бывшего Советского Союза – ред.). Участвовали в нескольких таких проектах. Мы были также российским участником ряда крупных европейских Рамочных программ (FP – Framework Programme), где мы работали в сотрудничестве как с нашими учредителями (Бергенским Нансен-Центром, с Институтом Макса Планк по метеорологии), так и другими научными организациями. В таких проектах обычно участвовало 3-4 европейских страны, а Россия выступала в качестве внешнего участника. Последним был один из крупных европейских проектов рамочной программы "Горизонт-2020" (программа Европейского Союза по развитию научных исследований и технологий – ред.).

– Сейчас они приостановлены?

– Ассоциация INTAS прекратила свое существование в начале нынешнего столетия. Что касается Рамочных программ Евросоюза, то мы продолжали в них участвовать, но, начиная с 2014 года, без внешнего финансирования из этих программ, за счет российских "зеркальных" грантов. Однако, сейчас, по известным причинам, реальное сотрудничество с западными институтами прекратилось. Поэтому с этого года мы работаем исключительно по внутрироссийским научным проектам. Так, сейчас мы работаем по большому проекту Минобрнауки, по двум небольшим проектам Российского научного фонда и по двум проектам по ледовым картам и айсбергам, заказанным коммерческой структурой.

– Можете подробнее рассказать о ледовых картах?

– Сотрудники Нансен-Центра занимаются алгоритмами анализа характеристик ледяного покрова по спутниковым снимкам уже более 20 лет. Сначала эти работы велись исключительно в научных целях, в рамках научных проектов, где требовалось изучение ледовой обстановки. Потом мы увидели, что полученные результаты дают возможность предоставления оперативной информации и для практических целей.

В Арктике наиболее информативны радиолокационные спутниковые изображения, которые всепогодны, т.е. с их помощью можно получать картинку ледовой обстановки независимо от погодных условий. В более южных районах океана можно работать с изображениями в видимом или инфракрасном диапазонах, но в Арктике, в связи с почти постоянной облачностью, информация получается эпизодичной и крайне фрагментарной. А вот радиолокационный сигнал пробивает облачность, что позволяет получать связанную картину состояния ледяного покрова по всей площади снимка.

Наш подход к формированию ледовых карт - получить максимально подробное картирование возраста (толщины) льда, в идеале в каждом пикселе. Исходные снимки имеют разрешение порядка 40 метров, но алгоритм в своей работе опирается на несколько пикселей, поэтому финальная карта имеет разрешение около 300 метров.

И с научной, и с практической точек зрения всех, прежде всего, интересует сплоченность и толщина льда. Поскольку разрешение снимков очень хорошее, то сплоченность льда легко определить визуально, хотя ее можно приводить и в цифровом виде. Что же касается толщины льда, то она обычно определяется через возраст льда, хотя эта связь и нелинейна. Изначально анализируется поле яркости радиолокационного снимка, по которому можно получить различные текстурные характеристики поверхности льда. Потом проводится классификация, т.е. лед относится к той или иной возрастной группе. Мы выделяем на картах восемь различных классов, включая открытую воду.

Алгоритмы классификации постоянно совершенствуются. Вначале использовались алгоритмы искусственного интеллекта – полносвязанные нейронные сети. В настоящий момент мы используем метод опорных векторов, который позволяет лучше классифицировать текстурные характеристики снимка. Также начинаем опробовать новый метод — сверточные нейронные сети.

В результате использования наших алгоритмов получаются очень подробные электронные ледовые карты, идеальные для проводок судов.

Пример ледовой карты Нансен-Центра. Синим цветом обозначена открытая вода, розовым – молодой тонкий лед, зеленым и оттенками – однолетний лед разной толщины. Вертикальные синие полосы – границы серий спутниковых снимков, возникающие в результате коррекции исходных данных.

– В чем, для неспециалиста, особенность карт Нансен-Центра?

– Другие организации предоставляют сильно генерализованные карты, где данные осреднены по большой площади, где показано в процентах какие типы льда доминируют на этом пространстве. На такой карте обычно не видны детали распределения возраста (толщины) льда. А ведь при крайней неоднородности ледяного покрова в Арктике, со множеством локальных особенностей, именно детали ледовой обстановки могут существенно уменьшить время ледовой проводки судна. Карты Нансен-Центра, благодаря своему очень высокому разрешению, во-первых, позволяют видеть все мелкие детали ледовой обстановки, что отсутствует на других имеющихся картах, в том числе западных научных организаций. Во-вторых, наши карты формируются очень быстро. Мы в состоянии выдать электронную карту потребителю уже через час-полтора после получения снимка. В-третьих, при создании карт задействован автоматический алгоритм и минимум человеческих ресурсов, и потому они получаются дешевле. От нашего специалиста требуется только минимальный экспертный пост-контроль на случай, если исходное изображение содержит какие-либо артефакты.

– В течение какого времени актуальна такая ледовая карта?

– Ледовая обстановка может быть актуальна несколько суток, а может меняться в течении нескольких часов. Радиолокационные снимки на заданный район можно получать от одного до нескольких раз в сутки, в зависимости от района. Лучшего никто не имеет. Поскольку карты Нансен-Центра формируются в автоматическом режиме, то потенциальный потребитель может получать информацию в течении одного-полутора часов после получения нами соответствующего спутникового снимка.

– Для кого предназначены такие оперативные карты?

– Ледовые карты такого типа будут важным подспорьем для судовождения, а также анализа ледовой обстановки вокруг гидротехнических сооружений, ледовых платформ.

– Вы готовите ледовые карты для каких-то определенных районов?

– Мы готовы предоставлять любой участок, где есть спутниковые снимки. А они покрывают практически всю Арктику. Более частое покрытие в Баренцевом, Карском морях и море Лаптевых. Хуже – в Восточно-Сибирском море, но и там, карту на заданный район получаем раз в сутки.

– Для каких еще целей можно использовать такие спутниковые снимки?

– Помимо таких карт, когда есть возможность получить два снимка, у нас разработан свой метод определения скорости движения льда. Это делается путем выделения особых точек и расчета их смещения во времени. В Дании и Франции тоже есть организации, которые этим занимаются. Но особая система предварительной фильтрации, которую мы применяем, значительно снижает уровень шума на снимке, что позволяет выделить на порядок больше точек, чем это делают западные коллеги. В результате у нас получилось гораздо более подробное и точное поле скоростей движения льда.

Это крайне важно, потому что по картам скоростей движения льда мы можем выделять зоны сжатия и разряжения льдов, а это позволяет уже делать экспертный прогноз на будущее. На один-два дня. Например, предсказать, что будет с разводьем: будет ли оно закрываться или раскрываться в ближайшие сутки.

– Программа, с помощью которой создаются ледовые карты, является вашей собственной разработкой?

– Да. С 2014 года мы регулярно выполняем проектные работы с некоторыми, иногда крупными, компаниями, которым требуется подробная и качественная информация по ледяному покрову. Иногда это разовые работы, иногда это работа с продолжением.

– Вы используете снимки отечественных спутников?

– Отечественных спутниковых радаров у нас сейчас нет, либо эти данные закрыты. Поэтому мы, как и другие, пока используем только снимки с зарубежных спутников.

Интерьеры Нансен-Центра

– Какие другие продукты готов предложить Нансен-Центр?

– Помимо ледовых карт, у нас разработана система идентификации айсбергов. Мы можем отличить их на снимках от судов. В Арктике айсберги представляют определенную угрозу, в основном, для буровых платформ.

– В последнее время крупные российские корпорации, такие как "Росатом" и нефтегазовые компании, создают собственные вспомогательные системы для судоходства, свои центры анализа данных. Вы с ними сотрудничаете?

– Сейчас мы ведем один крупный проект, в рамках которого обрабатываем снимки по всем морям Арктики более чем за 20 лет для одной крупной российской компании. Обрабатываются тысячи снимков по каждому морю.

– Для чего такой длительный период?

– Для долгосрочных прогнозов ледовой обстановки полезно знать, как развивался процесс в относительно недавнем прошлом. В 1970-е и 1980-е годы зимняя навигация была затруднена из-за тяжелых льдов, а начиная с 1990-х и 2000-х годов ситуация существенно улучшилась, однако она очень сильно меняется от года к году, от месяца к месяцу.

– Судоходный сезон увеличился?

– Да. Он уже довольно сильно вырос в 2000-е годы. Оценки показывают, что судоходный сезон для судов низкого ледового класса по Северному морскому пути с 1980-х годов увеличился, в среднем, примерно на один месяц. Минимум льда был в 2012 году. Тогда летом очистилась большая часть арктических морей, включая Восточный сектор. Такого раньше никогда не было. Однако год на год не приходится. Местами ледовая ситуация по-прежнему остается сложной даже летом.

Другие изменения – в последние десятилетия во всех Арктических морях сильно уменьшилось количество старых льдов и стало больше молодых, более тонких льдов. С одной стороны, это позитивная тенденция. С другой, молодые льды более подвижны. Значит, ледовая обстановка будет меняться быстрее, будет больше формироваться гряд торосов. В такой ситуации поле льда будет очень разнородно, и крайне важна подробность ледовых карт и быстрота их доставки потребителю. В этом Нансен-Центр имеет существенные преимущества перед другими организациями, включая западные институты.

– Как вы взаимодействуете с другими российскими научными организациями, например, с Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ)?

– ААНИИ – это крупнейшая научная организация по исследованию Арктики, с богатой историей и плеядой выдающихся ученых. У нас прекрасные отношения с рядом замечательных ученых из ААНИИ, с которыми мы взаимодействуем по различным научным проектам. Мы несравнимы по размерам. Весь наш Нансен-Центр размером с один отдел ААНИИ.

Что же касается ледовых карт, то это та область, где у нас присутствует некоторое соперничество. Нам удалось разработать технологии анализа спутниковых снимков, благодаря которым мы сейчас можем описывать оперативную ледовую обстановку лучше. ААНИИ предоставляют традиционные обобщенные карты, где очерчены границы более или менее однородных ледовых зон, и которые часто не позволяют оценить оперативные детали ледовой обстановки. Мы же предоставляем ледовые карты прямого картирования с беспрецедентным пространственным разрешением. Наши алгоритмы позволяют видеть все детали перемещения и взаимодействия ледовых полей и учитывать это для навигации. Естественно, заменить ААНИИ в этой области мы не можем и не хотим, но те группы потребителей, которые будут с нами работать, будут довольны.

– Полевые данные, которые ААНИИ имеет возможность собирать, будучи в Арктике, были бы вам полезны?

– Эти наблюдения в отдельных точках или на небольших участках, несомненно, были бы полезны для точечной верификации карт, получаемых со спутников. Впрочем, имеются и открытые данные, с помощью которых мы совершенствуем наши технологии.

Свидетельство о регистрации, подписанное председателем комитета по внешним связям мэрии Санкт-Петербурга Владимиром Путиным в 1992 году

– По каким еще направлениям работает Нансен-Центр?

– У нас три группы исследователей. Помимо ледовой группы, про которую мы говорили выше, есть климатическая группа, которая занимается исследованиями динамики океана и атмосферы, внутренними связями в сложной климатической системе, задачами оценки качества имеющихся долгосрочных прогнозов, алгоритмы валидации климатических моделей. В частности, в рамках работы этой группы, в Нансен Центре разработаны алгоритмы идентификации полярных циклонов. Это трудно прогнозируемые и опасные синоптические образования. Они возникают внезапно и существуют от одних до нескольких суток. Им сопутствуют сильные ветра и волнение. За счет своей интенсивности они могут приводить к очень серьезным проблемам. У нас собрана самая подробная на данный момент база по полярным циклонам. Сейчас группа наших исследователей патентует технологию автоматического выделения полярных циклонов по данным атмосферных моделей.

Третья группа Нансен Центра занимается морской экологией, анализом изменчивости первичной продукции океана при современном потеплении, цветением океана и поглощением океаном углекислого газа. Планктон, как выяснилось, может не только поглощать и захоранивать соединения углекислого газа в толще океана. Некоторые группы планктона формируют карбонатные соединения, в процессе формирования которых углекислый газ, наоборот, высвобождается. Эти виды планктона работают также как "обратный насос", который возвращает часть углекислого газа обратно в атмосферу. В нас разработан оригинальный алгоритм, который позволяет выделять такие группы планктона на спутниковых снимках.

– Сейчас много говорится о таянии льда в Арктике...

– С высокой степенью вероятности лед будет продолжать в Арктике таять и безледный период будет увеличиваться. Практически все модели предсказывают, что в летний период, к концу века, Арктика практически освободится ото льда. Зимой же морской лед никуда не денется. В том числе и вдоль Северного морского пути.

Но будут возникать и другие проблемы. Например, в связи с отступлением льда, предположительно, будет увеличиваться количество штормов, что может негативно сказаться на судоходстве, разрушении берегов, воздействии на гидротехнические сооружения.

– Ожидается, что эта тенденция сохранится до конца века? Потом движение начнется в обратную сторону?

– К концу века климатическая система, вероятно, стабилизируется, но уже в новом качестве. Это предсказывают почти все модели. Несмотря на такое единодушие, ученые всегда относятся к модельным прогнозам с некой долей скептицизма. Потому что понимают, что модели далеко не все природные процессы предсказывают хорошо, и трудно сказать насколько эти недостатки моделей влияют на конечный результат. Также мы не знаем, произойдут ли те или иные природные катаклизмы, каково будет воздействие человека на природу в будущем.

– Можете подробнее рассказать о вычислительных мощностях Нансен-Центра?

– Компьютерные мощности Нансен-Центра все время развиваются. Помимо персональных компьютеров сотрудников, у нас имеется несколько серверов для хранения информации и расчетов, с объемом памяти около 50Тб, а недавно появилась и группа серверов для моделирования. Все сервера интегрированы в единую компьютерную систему.

– Получается, что основные активы Нансен-Центра – программы, данные и люди?

– Да, у нас разработано несколько уникальных программных алгоритмов, в области ледового картирования, для анализа климатических, океанологических данных, для идентификации видов планктонных организмов. В центре работает ряд крупных исследователей и много талантливой молодежи. За 30 лет Нансен Центром, в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами из других институтов, было выпущено более 20 крупных монографий по климату, ледяному покрову, экологии Арктического региона, а также по спутниковым методам. По результатам своей работы в Нансен Центре и при поддержке Нансен Центра молодыми исследователями было защищено более 30 кандидатских диссертаций.

– Ваш центр ограничивается только Арктикой?

– У нас сравнительно небольшой центр, мы не можем охватить все и вся. С начала своего образования наш центр был ориентирован на исследования полярных и субполярных широт. Арктика – очень динамичный регион. Он куда сильнее реагирует на изменения климата, чем другие регионы земного шара, и потому исследовать его очень важно и интересно. Тогда, 30 лет назад, мало кто думал про Арктику. Теперь же Арктика прочно входит в нашу жизнь, и ее исследование и освоение год от года становится все более и более актуальным.

Беседовал Александр Полунин