Betere Inzicht in het Risico van Permafrost Dooi in Alaska

Kostenramingen van infrastructuurschade door opwarming en het ontdooien van permafrost tegen het midden of het einde van deze eeuw, vergeleken met de jaarlijkse nationale gemiddelde kosten van klimaat- en weersrampen.

In het Arctische gebied speelt permafrost een cruciale rol bij het bouwen van infrastructuur. Echter, naarmate de regio opwarmt en de permafrost ontdooit, wordt de infrastructuur bedreigd door verschuivingen in de ondergrond. Helaas is de volledige omvang van de risico’s die met dit proces gepaard gaan nog niet volledig begrepen, maar onderzoekers werken aan het dichten van deze kennisgap.

Onderzoekers van de UConn-afdeling Natuurlijke Hulpbronnen en Milieu, waaronder Ph.D. student Elias Manos en assistent-professor Chandi Witharana, hebben een methode ontwikkeld die gebruikmaakt van hoge-resolutie satellietbeelden en diepe machine learning om de in kaart gebrachte infrastructuur van Alaska te verdubbelen en economische risico’s die verband houden met het ontdooien van permafrost nauwkeuriger te projecteren. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Communications Earth & Environment.

Witharana zegt dat dit het nieuwste resultaat is van de langlopende studie van zijn onderzoeksgroep over hoe satellieten kunnen helpen bij het monitoren van veranderingen in het Arctische landschap in de loop van de tijd; in dit geval betreft het de grotendeels niet in kaart gebrachte risico’s van ontdooiende permafrost voor gemeenschappen en hun vitale infrastructuur zoals gebouwen en wegen.

“De belangrijkste focus hier is dat er een visuele kloof was voor infrastructuur, en we hebben meer detail nodig om cruciale informatie te creëren voor verdere analyses zoals economische risico’s. Dat hadden we niet voor Alaska,” zegt Witharana.

De motivatie achter dit onderzoek komt voort uit de noodzaak om gevaren in een veranderende wereld te begrijpen, zegt Manos. Echter, deze beoordelingen kunnen niet plaatsvinden zonder een duidelijk begrip van wat er op het spel staat.

“We weten dat de lokale temperaturen stijgen en dat er veranderingen zijn in de frequentie, intensiteit en timing van extreme weersomstandigheden en gevaarlijke gebeurtenissen. Of het nu gaat om snelle gebeurtenissen zoals orkanen, overstromingen, bosbranden, of langzame gevaren zoals droogte en het ontdooien van permafrost, we moeten de potentiële schade die deze gebeurtenissen veroorzaken begrijpen,” zegt Manos.

Manos legt uit dat permafrost dient als een structurele fundering waar palen doorheen zijn verankerd en gebouwen zijn ontworpen om de thermische integriteit ervan te behouden. Het is daarom essentieel dat de paalfundering stabiel verankerd blijft in de permafrost, maar de structurele integriteit komt in gevaar als deze laag begint te ontdooien.

“Wanneer de temperatuur van de permafrost begint te stijgen, beginnen de palen uit hun plaats te verschuiven, en dat noemen we verlies van draagvermogen. Dat was het belangrijkste gevaar dat we bestudeerden dat impact heeft op gebouwen,” zegt Manos. “Daarnaast is er ook transportinfrastructuur die voornamelijk wordt beïnvloed door grondverzakking. Wanneer ijzige permafrost ontdooit, zal de grond instorten en dat was het gevaar dat we gebruikten om het rampenrisico voor wegen te beoordelen.”

Vorige studies hebben risicoberekeningen gemaakt op basis van gegevens van OpenStreetMap (OSM), een van de meest gebruikte geospatiale datasets ter wereld, zegt Manos. OSM is beschikbaar voor elk land ter wereld, en informatie wordt bijgewerkt door vrijwilligers die lokale gegevens, zoals gebouwen, paden, wegen of andere soorten infrastructuur, handmatig invoeren op basis van hoge-resolutie beelden op wereldschaal.

Voor sommige regio’s, zoals Europa en delen van de Verenigde Staten, zijn de gegevens accuraat, zegt Manos, maar dat geldt niet voor alle locaties. Helaas ontbreekt het aan OSM-gegevens voor het Arctische gebied.

“Er zijn verschillende eerdere risicostudies die afhankelijk waren van deze onvolledige infrastructuurgegevens. Het komt allemaal voort uit het feit dat de infrastructuur in het Arctische gebied niet volledig in kaart is gebracht, wat problematisch is als je rampen wilt begrijpen, omdat je het volledige plaatje moet hebben om de omvang van wat er is of mogelijk blootgesteld kan worden te begrijpen,” zegt Manos.

Een van de doelstellingen van Witharana’s onderzoeksgroep is om methoden te verbeteren voor het snel en nauwkeurig analyseren van grote sets satellietbeelden. Ze hebben een methode ontwikkeld om infrastructuur en risico’s van permafrostontdooien nauwkeurig in kaart te brengen, genaamd High-resolution Arctic Built Infrastructure and Terrain Analysis Tool (HABITAT).

Het model maakt gebruik van machine learning en kunstmatige intelligentie om weg- en gebouwinformatie te extraheren uit hoge-resolutie satellietbeelden van de jaren 2018-2023. Ze vergeleken de HABITAT-gegevens met OSM-gegevens om de kwaliteit van het nieuwe model te evalueren en om mogelijke misclassificaties te zoeken. Vervolgens voegden ze de nieuwe informatie toe aan OSM, waardoor de beschikbare informatie voor Alaska bijna verdubbelde.

“De enorme hoeveelheid infrastructuur en gebouwen die ontbraken op OpenStreetMap was echt schokkend voor mij, 47% ontbrak,” zegt Manos. “Hoewel OpenStreetMap een krachtige op vrijwilligers gebaseerde bron is, heeft het beperkingen en dat is geen verrassing.”

Vanwege de grote hoeveelheid gegevens die voorheen niet in aanmerking waren genomen, schatten de onderzoekers dat de kosten van permafrostschade aan infrastructuur tegen 2050 zullen verdubbelen onder lage en gemiddelde emissiescenario’s.

“Schade aan infrastructuur veroorzaakt door het ontdooien van permafrost is vergelijkbaar met de gemiddelde jaarlijkse kosten van alle natuurrampen in het land, maar het ontdooien van permafrost wordt niet erkend door de federale overheid als een natuurrisico, wat het moeilijker maakt voor mensen in Alaska om rampenfonds te verkrijgen. Bovendien loopt Alaska decennia achter op de rest van het land als het gaat om de gereedheid van geospatiale gegevens. Kaarten zijn essentieel voor beoordelingen en planning, en ik denk dat de onderzoeksgemeenschap hierbij kan helpen,” zegt Liljedahl.

Witharana’s onderzoeksgroep en samenwerkende onderzoekers werken aan het dichten van deze kennisgaten om gegevens te creëren die kunnen helpen gemeenschappen voor te bereiden op de toekomst. Manos is van plan deze analyse uit te breiden om het gehele Arctische gebied in rekening te brengen en economische verliezen te beoordelen met behulp van een uitgebreide infrastructuurkaart.

Witharana voegt eraan toe dat door OSM-gegevens te combineren met de duizenden sub-meterresolutie satellietbeelden die door de National Science Foundation zijn verstrekt, samen met toegang tot NSF-supercomputing infrastructuur, het mogelijk was voor de onderzoekers om de volledigheid van deze datasets te verbeteren.

“We kunnen de impact zien en betere beoordelingen maken van economische verstoringen en risico’s, zodat we ons kunnen voorbereiden op welke beleidsmaatregelen of vervolginspanningen nodig zijn,” zegt Witharana. “Dat is een belangrijk resultaat. Over het algemeen heeft de integratie van kunstmatige intelligentie en grote datasets binnen onze toepassing geholpen om nuttige, actiegerichte producten te maken die onderzoekers en gemeenschappen nu kunnen gebruiken.”