Инженер-эколог Анна Арзамасова отбирает пробы воды в Иссык-Куле. Фото из личного архива
В Киргизии прошла международная научно-исследовательская экспедиция по ключевым маршрутам Петра Семенова-Тян-Шанского. В течение месяца на побережье Иссык-Куля работали биогеографы, ботаники, археологи, палеосейсмологи и экологи. Дроны помогали им изучать рельеф, искусственный интеллект — оценивать последствия природных катастроф, а цифровой экомониторинг — анализировать мусор на берегах для дальнейшей сортировки.
В 1856–1857 годах Петр Петрович провел экспедиции в Центральную Азию. Их результаты поразили мировую научную общественность: ученый доказал, что горы Тянь-Шань не вулканические, составил первую схему хребтов и высотных поясов, привез в Россию гербарий более чем из 1 тыс. видов и обширные энтомологические коллекции. С тех пор прошло почти 170 лет, климат и рельеф изменились. Теперь экспедиция РГО вновь исследует регион — уже с применением новых технологий.
— В этом году комплексные научные работы прошли на территории сразу двух стран — Казахстана и Киргизии, — рассказал руководитель экспедиции, старший научный сотрудник Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН Андрей Стрельников. — Девять групп ученых исследовали побережье озера Иссык-Куль. Все результаты в виде специальных слоев в будущем попадут в Геоинформационную систему РГО. Таким образом формируется комплексный массив, который позволяет ученым работать с актуальными данными онлайн.
Как образуется микропластик
Группа экологов провела первое исследование концентрации микропластика в истории озера Иссык-Куль. Эти мельчайшие полимерные частицы нарушают работу клеток. Они попадают в пищевую цепочку, а потом и в организм человека. Данная экологическая проблема выявлена относительно недавно. Сейчас ученые многих стран изучают уровень содержания загрязнителя в природной среде и определяют его источники. Например, распадаются затопленные рыболовные сети, мульчирующая пленка на полях (такой пленкой застилают почву вокруг растений для защиты от сорняков и удержания влаги), упаковка от снеков на пляжах. Микропластик образуется при трении автомобильных шин, а также выделяется из волокон синтетической одежды, которые попадают в сточные воды при стирке. Любой пластиковый материал особенно быстро разрушается под воздействием солнечного света или трения.
В этом году ученые отбирали пробы воды у побережья Иссык-Куля в густонаселенных районах севера, на пустынных побережьях юга и в крупнейших притоках озера. Дальнейшая обработка будет проводиться в лабораторных условиях.
Отбор проб воды из притока Джергалан. Фото из личного архива Анны Арзамасовой
Сначала пробы обработают химическими реагентами для удаления органических веществ, затем проведут несколько этапов лабораторного анализа. Первый этап проводится с помощью микроскопа, чтобы визуально определить, сколько типов полимерных частиц присутствует и к какому типу они относятся (волокна, пленки или сферы). Далее применяются несколько вариантов физико-химического анализа. Один из них — метод спектроскопии комбинационного рассеяния, который позволяет определять состав и структуру вещества по изменению частоты света при его рассеянии. Так определяется, какой тип полимера обнаружен: полиэтилен, полипропилен, полистирол. Каждый из них имеет разный уровень токсичности при воздействии на живые организмы. Зная источник микропластика, экологи смогут начать работу, чтобы минимизировать его воздействие.
Специалисты представили результаты исследования сотрудникам дирекции биосферной территории «Ысык-Кель» и познакомили коллег с методиками мониторинга макропластика — полиэтиленовых пакетов, бутылок и другого мусора на побережье.
— В ходе обследования трех пляжей с помощью методики, разработанной для мониторинга загрязнения побережий, стало ясно, что, помимо прочего, чаще всего встречаются пластиковая упаковка от продуктов питания, пластиковые сигаретные фильтры и пластиковые бутылки, — отметила инженер-эколог Анна Арзамасова. — Одно из решений проблемы — поставить на пляжах мусоросборные контейнеры, подходящие для открытой местности, где бывают сильные ветры или хозяйничают стаи птиц.
«Чистый берег» с помощью ИИ
Марианна Шмырева в ходе съемки берегов с помощью БПЛА. Фото из личного архива
Другое технологическое решение, которое команда экологов представила сотрудникам дирекции, — это нейросеть российского проекта «Чистый берег». Она анализирует снимки побережья, выполненные с помощью дрона. ИИ делит загрязнения на фотографиях на шесть основных типов: рыболовные сети, металл, резина, крупный пластик, бетон и древесина.
Такая технология позволяет эффективно распределить нагрузку волонтеров по уборке мусора и понять, как его лучше утилизировать.
Ученые отсняли около 15 км2 побережья на разных высотах. Часть снимков станет обучающей выборкой для ИИ, другая часть послужит основой для 3D-моделирования местности вокруг Иссык-Куля. Цифровая копия поможет рассчитать изменение уровня воды озера при чрезвычайных природных явлениях: селях, паводках, наводнениях.
Как отмечает заместитель начальника научно-технического центра Сибирской пожарно-спасательной академии МЧС России Марианна Шмырева, на территории Кыргызстана сейчас происходит в среднем 9 тыс. землетрясений в год. Специалисты применяют ИИ, чтобы моделировать развитие чрезвычайных ситуаций, связанных с опасными гидрологическими явлениями. Нейросеть позволяет виртуально поднимать на цифровой карте уровень воды — например, на 0,5 м или на 1 м. Программа сразу показывает, какую территорию затопит в поселках и где вода перережет дороги. В прошлом году специалисты оцифровали архивные карты глубин Иссык-Куля.
Цифровая карта показывает, какие территории и населенные пункты окажутся затопленными при повышении уровня воды в озере
— В ходе экспедиции нам удалось собрать материал для создания ортофотопланов зон наибольшего риска для населения в случае ЧС, — рассказывает Марианна Шмырева. — Мы обсудили с киргизскими коллегами проблемы экологии Иссык-Кульской котловины, мониторинга и внедрения геоинформационных технологий в учебный процесс, в том числе с заведующим профильной кафедрой Кыргызско-Российского славянского университета имени Бориса Ельцина, получили консультацию специалиста по природным условиям Иссык-Куля и проанализировали отчеты МЧС Кыргызской Республики для сопоставления полевых данных с информацией об опасных природных явлениях на исследуемой территории.
Экологическая ситуация остается одной из проблем региона, но за год картина заметно изменилась, считает эколог Сергей Ахтямов. Главный результат: часть открытых свалок закрылась. Однако раздельный сбор отходов так и не стал системой — где-то мусор по-прежнему закапывают или сжигают. Чтобы понять, как настроены сами люди, социологи опросили жителей пяти населенных пунктов с высокой туристической нагрузкой и сравнили результаты с прошлым годом. В результате они получили тревожный сигнал: жители стали меньше сортировать отходы. У людей есть запрос на создание дополнительных туристических точек сбора отходов — сейчас на побережье их около 200. Отдельный большой блок исследования посвящен свалке в Балыкчи. Соответствующие вопросы уже направлены в регулирующие органы.
Также специалисты изучали зоопланктон — крошечных животных, дрейфующих в толще воды. Они быстро реагируют на изменения среды, поэтому хорошо показывают экологическое состояние озера. Кроме того, зоопланктон — корм для рыб. Пробы брали по всему периметру озера: 20 проб в 18 точках — местах с разной антропогенной нагрузкой, разной глубиной и разным типом грунта. Далее в лаборатории определят его виды, посчитают численность и биомассу. Для Иссык-Куля это особенно важно, так как полноценного мониторинга зоопланктона здесь пока нет. Полученные данные помогут лучше понять состояние озера и предложить меры по его сохранению.
Озеро пишет историю
Биогенные отложения в долине озера — это архив. Исследуя их, ученые могут узнать, каким был климат, как высоко стояла вода и что росло на берегах раньше. Для этого со дна и с заболоченных берегов поднимают колонки отложений — керны. За экспедицию их собрали более 20: с западного берега, из тростниковых зарослей на юге и с горных озер в Семеновском ущелье. Сравнив керны, ученые смогут восстановить историю озера и его окрестностей за тысячи лет.
В ходе экспедиции ботаники описали более 50 участков: луга, кустарники, леса и пустыни, а также собрали сотни образцов растений и мхов — часть передадут в Иссык-Кульский заповедник. Ученые обратили внимание на то, что в Каракольском природном парке растительность сильно пострадала из-за перевыпаса скота, особенно овец. Отдельная часть работы — анализ маршрутов Петра Семенова-Тян-Шанского. Группа прошла по его пути, посетила 33 участка, сделала 54 описания ландшафтов и проехала около 2,3–2,4 тыс. км. Дневники ученого и зарисовки в них специалисты сравнили с тем, как эти места выглядят сегодня.
Исследователь Евгения Боброва и географ-эколог Наталия Терехина. Фото из личного архива
Экспедиция проводилась в сотрудничестве с Национальной академией наук Кыргызской Республики, Российским государственным гидрометеорологическим университетом, Национальным исследовательским Томским государственным университетом, Санкт-Петербургским государственным университетом, Институтом физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Институтом археологии РАН, Государственным историко-культурным и природным заповедником-музеем «Танбалы», Институтом географии РАН, а также Сибирской пожарно-спасательной академией Государственной противопожарной службы МЧС России.