Problemas do degelo do permafrost no Alasca

Os custos dos danos à infraestrutura relacionados ao degelo do permafrost no Alasca devem dobrar em cenários de emissão média e alta

a A média anual (1980-2022) dos Centros Nacionais de Informação Ambiental (NOAA NCEI) da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional exclui problemas relacionados ao permafrost. b , c Exemplos de danos causados ​​pelo degelo do permafrost em uma casa particular em Point Lay, Alasca (créditos: Benjamin Jones) e ao longo de uma estrada pavimentada deformada por assentamento diferencial de degelo em Fairbanks, Alasca (créditos: Chandi Witharana). d Todas as comunidades do Alasca e CDPs sobrepostos no mapa rodoviário HABITAT-OSM. Neste estudo, os custos de danos à infraestrutura foram estimados em 178 de 355 dessas comunidades

No Ártico, o permafrost desempenha um papel crucial na construção de infraestrutura. No entanto, conforme a região se aquece e o permafrost derrete, a infraestrutura é ameaçada à medida que o solo se desloca abaixo do ambiente construído. Infelizmente, a extensão total dos riscos associados a esse processo ainda não foi percebida, mas os pesquisadores estão trabalhando para abordar essa lacuna de conhecimento.

Pesquisadores do Departamento de Recursos Naturais e Meio Ambiente da UConn, incluindo o aluno de doutorado Elias Manos e a professora assistente Chandi Witharana, e Anna Liljedahl do Woodwell Climate Research Center desenvolveram um método que usa imagens de satélite de alta resolução e aprendizado de máquina profundo para duplicar a infraestrutura mapeada do Alasca e projetar com mais precisão os riscos econômicos associados ao degelo do permafrost. Suas descobertas foram divulgadas em Communications Earth & Environment .

Witharana diz que este é o mais recente estudo de longo prazo de seu grupo de pesquisa sobre como os satélites podem ajudar a monitorar mudanças na paisagem do Ártico ao longo do tempo; neste caso, os riscos amplamente não contabilizados do degelo do permafrost para comunidades e suas infraestruturas vitais, como edifícios e estradas.

“O foco principal aqui é que havia uma lacuna visual para infraestrutura, e precisamos ter mais detalhes para criar camadas de informações críticas para análise downstream, como risco econômico. Não tínhamos isso para o Alasca”, diz Witharana.

A motivação por trás desta pesquisa vem da necessidade de entender os perigos em um mundo em mudança, diz Manos. No entanto, essas avaliações não podem acontecer sem uma compreensão clara do que está em perigo.

“Sabemos que as temperaturas locais estão aumentando e há mudanças na frequência, intensidade e tempo de eventos climáticos extremos e perigosos. Sejam eventos de início rápido, como furacões, inundações, incêndios florestais, ou riscos de início lento, como secas, degelo do permafrost neste caso, precisamos entender o dano potencial que esses eventos representam”, diz Manos.

Manos diz que o permafrost serve como uma fundação estrutural onde as estacas são fixadas através dele e os edifícios são projetados para ajudar a manter sua integridade térmica. É, portanto, essencial que a fundação da estaca permaneça ancorada de forma estável no permafrost, mas a integridade estrutural é comprometida à medida que essa camada descongela.

“Quando a temperatura do permafrost começa a aumentar, as pilhas começam a sair do lugar, e isso é o que chamamos de perda de capacidade de suporte, ou diminuição da capacidade de suporte. Esse foi o principal risco que observamos que impacta os edifícios”, diz Manos. “Então, há também a infraestrutura de transporte que é impactada principalmente pela subsidência do solo. Quando o permafrost rico em gelo derrete, o solo cede e esse foi o risco que usamos para avaliar o risco de desastre para estradas.”

Estudos anteriores fizeram estimativas de risco com base em dados do OpenStreetMap (OSM), que é um dos conjuntos de dados geoespaciais mais amplamente usados ​​disponíveis, diz Manos. O OSM está disponível para todas as nações do mundo, e as informações são atualizadas por voluntários que inserem manualmente dados locais, como prédios, trilhas, estradas ou outros tipos de infraestrutura, a partir de imagens de alta resolução em escala global.

Para algumas regiões, como Europa e partes dos Estados Unidos, os dados são precisos, diz Manos, mas isso não é verdade para todos os locais. Infelizmente para o Ártico, os dados do OSM estão faltando.

a Bethel, ( b ) Fairbanks, ( c ) Utqiagvik, ( d ) St. Mary’s, ( e ) Wainwright, ( f ) Toksook Bay. As localizações dessas comunidades são fornecidas no mapa inserido ( g ). As imagens subjacentes são as imagens de satélite Maxar das quais edifícios, tanques e estradas foram detectados.

“Existem vários estudos de risco anteriores que se basearam nesses dados incompletos de infraestrutura. Tudo remonta ao fato de que a infraestrutura em todo o Ártico não é completamente mapeada, e isso é problemático se você quer entender desastres porque você precisa ter o quadro completo para entender a escala do que está ou poderia ser potencialmente exposto”, diz Manos.

Um dos objetivos do grupo de pesquisa de Witharana é melhorar métodos para analisar grandes conjuntos de imagens de satélite de forma rápida e precisa. Aqui, eles desenvolveram um método para mapear com precisão a infraestrutura e o risco de degelo do permafrost chamado High-resolution Arctic Built Infrastructure and Terrain Analysis Tool (HABITAT).

O modelo usa aprendizado de máquina e IA para extrair informações de estradas e edifícios de imagens de satélite de alta resolução dos anos de 2018 a 2023. Eles compararam os dados do HABITAT com os dados do OSM para avaliar a qualidade do novo modelo e procurar por possíveis classificações errôneas. Então, eles adicionaram as novas informações ao OSM, quase dobrando a quantidade anterior de informações disponíveis para o Alasca.

“A enorme quantidade de infraestrutura e prédios que estavam faltando no Open Street Map foi, realmente chocante para mim, 47% faltando”, diz Manos. “Embora o OpenStreetMap seja um recurso poderoso baseado em voluntários, ele tem limitações e isso não é uma surpresa.”

Devido à grande quantidade de dados não considerados anteriormente, os pesquisadores estimam que os custos dos danos causados ​​pelo permafrost à infraestrutura dobrarão em cenários de baixas e médias emissões até 2050.

A área total ( a ) de construção e ( b ) comprimento da estrada. As grades foram criadas com o sistema de indexação geoespacial hierárquica Uber H3 Hexagonal no ArcGIS pro. A área média do hexágono é de 1770 quilômetros quadrados. Edifícios e estradas foram agrupados na célula do hexágono mais próximo. Apenas os resultados subjacentes ao permafrost contínuo ou descontínuo foram incluídos na análise de custo para danos projetados pelo aquecimento ou degelo do permafrost

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“Os danos à infraestrutura causados ​​pelo degelo do permafrost estão no mesmo nível do custo médio anual de todos os desastres naturais no país, mas o degelo do permafrost não é reconhecido pelo governo federal como um risco natural, o que torna mais difícil para as pessoas no Alasca obterem financiamento para auxílio em desastres. Além disso, o Alasca está décadas atrás do resto do país em termos de prontidão de dados geoespaciais. Mapas são essenciais para avaliações e planejamento, e acho que a comunidade de pesquisa pode ajudar com um pouco disso”, diz Liljedahl.

O grupo de pesquisa e os colaboradores de Witharana estão trabalhando para preencher essas lacunas de conhecimento para criar dados que podem ser usados ​​para ajudar a preparar comunidades para o futuro. Manos planeja expandir essa análise para contabilizar toda a região do Ártico para avaliar perdas econômicas usando um mapa de infraestrutura abrangente.

Witharana acrescenta que, ao combinar dados do OSM com milhares de imagens de satélite de resolução submétrica fornecidas pela National Science Foundation, juntamente com o acesso à infraestrutura de supercomputação da NSF, foi possível aos pesquisadores aumentar a integridade desses conjuntos de dados.

“Podemos ver esse impacto e fazer melhores avaliações de perturbações econômicas e riscos para que possamos nos preparar para quaisquer ações políticas ou esforços posteriores que sejam necessários”, diz Witharana. “Esse é um resultado importante. No geral, a integração de IA e conjuntos de big data em nosso aplicativo ajudou a criar produtos úteis e acionáveis ​​que pesquisadores e comunidades podem usar agora mesmo”.