Исследователи использовали глубокое обучение, чтобы заполнить пробелы в «неоднородных» данных о качестве воды, выявив десятилетнюю тенденцию к более тёплым и менее насыщенным кислородом рекам, что может иметь тревожные последствия.

Дефицит или отсутствие кислорода в водоёмах Земли может увеличить выбросы парниковых газов, мобилизовать токсины металлов и задушить водную жизнь, дышащую кислородом. Хотя деоксигенация относительно распространена в таких водоёмах, как озёра и океаны, новое исследование в журнале Nature Climate Change сообщает, что реки в Соединённых Штатах и ​​Центральной Европе нагреваются и теряют кислород даже быстрее, чем океаны.
Учёные использовали модель глубокого обучения, чтобы заполнить пробелы в данных о качестве и температуре воды за четыре десятилетия, собранных в 796 реках. Эта модель позволила им реконструировать тенденции, которые иначе было бы невозможно выделить в мешанине исторических данных. Запуская свою модель в будущее, исследователи предсказывают, что уровень кислорода будет падать в 1,5–2,5 раза быстрее, чем за последние 40 лет.
«Показатель невелик, но вы меняете исходный уровень таким образом, что экстремальные явления могут стать более частыми», — сказала эколог водных экосистем Джоанна Блащак (Joanna Blaszczak) из Университета Невады, Рино, не участвовавшая в исследовании. «И эти крайности имеют множество последствий — как биогеохимических, так и для водных сообществ».
Как и погода, уровень растворённого кислорода меняется изо дня в день. Но подобно тому, как более высокие средние температуры означают более частые и чрезвычайно жаркие дни, устойчивый низкий базовый уровень растворённого кислорода означает более частые и интенсивные понижения, что может привести к образованию «мёртвых зон» для водных организмов, которым для дыхания необходим кислород. Это также может стимулировать выбросы парниковых газов, поскольку аноксия подталкивает бактерии переключиться с дыхания кислородом на другой метаболизм, производящий закись азота, мощный парниковый газ. Многие токсичные металлы, такие как мышьяк, также чувствительны к кислороду и легче перемещаются по рекам в периоды сильной гипоксии.

Неоднородные данные препятствуют усилиям

На первый взгляд связь между температурой и растворённым в воде кислородом очевидна: кислород легче растворяется в холодной воде, чем в тёплой. Эта взаимосвязь является одной из причин, почему ожидается, что изменение климата приведёт к снижению уровня растворённого кислорода в некоторых водных путях.
Но реки — это не лабораторные колбы. В реальном мире дела обстоят сложнее.
Например, реки аэрируются своим течением. А биологическая активность в реках может либо увеличивать количество кислорода, что происходит во время фотосинтеза, либо расходовать его — при дыхании животных и бактерий. Ландшафты, по которым пересекаются реки, также могут существенно влиять на растворённый кислород.
Таким образом, учёные не могут просто предположить, что изменение климата приведёт к аноксии в реках повсюду. Им нужны реальные данные. К счастью, у таких агентств, как Геологическая служба США, есть опыт десятилетий. Есть только одна загвоздка.
«Данные, как правило, относительно скудны», — сказал учёный-эколог Вэй Чжи (Wei Zhi) из Хохайского университета в Нанкине, Китай.
Как и следовало ожидать от данных, собранных за несколько десятилетий, агентствами и странами, данные о качестве рек являются «неоднородными», согласилась Блащак. И эта неоднородность блокирует усилия по восстановлению надёжных крупномасштабных исторических тенденций в таких вещах, как температура рек и растворённый кислород.

Глубокое обучение раскрывает тенденции

Чжи и его коллеги полагали, что глубокое обучение могло бы заполнить пробелы в исторических данных. Поэтому, используя данные о качестве воды, температуре, топографии, землепользовании и погоде, они обучили тип нейронной сети, называемый моделью долгой краткосрочной памяти, для прогнозирования температуры и уровня растворённого кислорода в реках США и Центральной Европы. По словам Чжи, длинная кратковременная память — это классическая модель заполнения временных рядов.
«Они смогли использовать эту модель долговременной краткосрочной памяти, столь глубокого обучения, чтобы реконструировать прошлые исторические временные ряды, а затем оценить тенденции», — сказала Блащак. «Они преодолевают ограничения по разреженности данных».
Тенденции показали, что 87% рек, учитываемых в исследовании, потеплели в период с 1981 по 2019 гг., при этом средние темпы потепления составили 0,16°C и 0,27°C за десятилетие для США и Центральной Европы соответственно. Около 70% рек лишились кислорода, при этом десятилетнее снижение средних концентраций растворённого кислорода в некоторых реках достигало 1–1,5%.
Из-за множества факторов, влияющих на реальные реки, прямая связь между более высокой температурой и деоксигенацией не полностью сохранилась: сельские реки нагревались меньше всего, но деоксигенация в них происходила быстрее всего.
«Сельскохозяйственные объекты обычно содержат много питательных веществ», — отмечает учёный-эколог Ли Ли (Li Li) из Университета штата Пенсильвания, коллега Чжи. «И это может стимулировать большую часть биологической активности, такой как дыхание», которое истощает кислород.
Кроме того, реки «теряют кислород быстрее, чем океаны», — говорит Ли. Это противоречит здравому смыслу, поскольку реки мелкие, хорошо аэрируются и освещаются солнечным светом, который обеспечивает фотосинтез, производящий кислород.
Как именно изменится та или иная река в будущем, будет зависеть от местных факторов. «Мы хотели бы провести исследование в глобальном масштабе», — сказала Ли, но на данный момент она и Чжи могут рассматривать только реки Северной Америки и Европы из-за ограничений данных. Несмотря на это, детальный характер их выводов выявил существенные региональные различия, которые невозможно было бы обнаружить с помощью других методов — как между Соединёнными Штатами и Центральной Европой (которая нагревается и дезоксигенирует быстрее), так и в пределах более мелких локальных территорий.
«И когда мы думаем о том, как мы можем управлять реками, чтобы как бы упреждающе попытаться замедлить темпы деоксигенации», — сказала Блащак, — «я чувствую, что это важный вывод».

 

Ссылка: https://eos.org/articles/rivers-are-warming-up-and-losing-oxygen