Imagens Time-Lapse em Ambientes Polares

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Imagem Time-Lapse em ambientes polares
Embora os impulsionadores da mudança climática e suas consequências nas regiões polares estejam se
tornando mais bem compreendidos [Holland e Bitz, 2003] e bem monitorados [Serreze et al., 2002;
Doran et al., 2002b], medir as respostas das paisagens polares às mudanças nas condições de fronteira
climática é desafiadora: as paisagens polares normalmente respondem lentamente ao aquecimento,
mas abruptamente ao derretimento [Goseff et al., 2011].
Imagens de lapso de tempo surgiram como o principal método para capturar evidências de mudanças
pontuadas nas paisagens da criosfera [Balog, 2008; Ahn e Box, 2010; Dickson et al., 2013; Levy et al.,
2013]. Em ambientes polares, a imagem em lapso de tempo captura a dinâmica de processos
complexos, ao mesmo tempo em que torna as consequências das mudanças climáticas relacionáveis
com o público. Aqui destacamos os recentes avanços na imagem em tempo-lapso para pesquisa de
geociências na Antártida.
Monitoramento existente
A maioria dos monitoramentos da paisagem da criosfera se concentra na coleta de medições de
equilíbrio de clima e energia de superfície de longo prazo [p., Fountain et al., 1999; Brown et al., 2000;
Harris et al., 2001; Doran et al., 2002a; Smith et al., 2003; Romanovsky et al., 2010; Guglielmin et al.,
2012]. Estes geralmente combinam mapeamento, análises de sistemas de informação geográfica,
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mapeamento de satélite, imagens baseadas no solo e / ou varreduras de lidar [Barnhart e Crosby, 2013],
mas os conjuntos de dados de climatologia de superfície normalmente amostram a uma taxa muito
superior à taxa de imagem ou taxa de mapeamento. Assim, embora os dados meteorológicos sejam
tipicamente contínuos, as medições da resposta da paisagem não são. Essa incompatibilidade motivou a
aquisição de conjuntos de dados de imagens de lapso de tempo que poderiam ser integrados com
dados contínuos de meteorologia.
Nenhum sistema de lapso de tempo de prateleira no mercado permite a coleta de dados de lapso de
tempo com qualquer câmera ou a integração desses dados de imagem com qualquer conjunto de dados
de séries temporais coletados de sensores ambientais próximos. Assim, técnicas tiveram que ser
desenvolvidas para integrar qualquer conjunto de dados de séries temporais, coletados em qualquer
plataforma de registro de dados, com qualquer conjunto de dados de imagem de lapso de tempo.
Estações de imagem Time-Lapse
A imagem em time-lapse de paisagens polares apresenta vários desafios, principalmente baixas
temperaturas que inibem o desempenho da bateria e terreno acidentado que limita severamente a
acessibilidade a estações remotas. Esses fatores amplificam a importância do desenvolvimento de um
sistema de imagem ultraestável porque o equipamento de manutenção, particularmente em estações
que só podem ser acessadas por helicóptero, é muitas vezes logisticamente impossível.
As câmeras comerciais podem realizar a aquisição de imagens em lapso de tempo através de uma
modificação de seu firmware. Implementamos o Kit de Desenvolvimento de Hacks da Canon (http://chdk
..wikia .com/wiki/CHDK), que foi desenvolvido pelos usuários da câmera para fornecer funcionalidade de
lapso de tempo automatizado embutido no firmware do sistema. Depois de modificar o firmware em
novas câmeras, nós as instalamos e gravamos imagens durante cinco temporadas de campo nos Vales
Secos de McMurdo (77oS-78oS, 160oE-140oE).
As câmeras de baixa potência (o 3 volts) podem passar pelo verão austral em intervalos de 5 minutos
usando dois painéis fotovoltaicos (7,5 watts) que carregam duas baterias de células de gel de 12 volts
seladas. Este sistema de energia tem um bom desempenho em frio extremo e está em conformidade
com os protocolos ambientais que regem o trabalho de campo na Antártida. As câmeras operam até o
final de março, fornecendo observações que abrangem a totalidade da temporada de degelo do pico, e
continuam depois que as equipes científicas devem retornar do campo. Esses dados de imagem
(resposta de paisagem) são emparelhados com dados ambientais do sensor (forçamento climático), que
são coletados de estações dentro do campo de visão da câmera.
Todos os dados de imagem e sensor são armazenados em um sistema de arquivos Linux para o qual o
software foi desenvolvido para gerar filmes laterais de medições climáticas sincronizadas com imagens
de lapso de tempo (Figura 1) [Dickson et al., 2013; Levy et al., 2013]. Um usuário acessando esses
dados é solicitado para parâmetros-chave (instrumento, duração, intervalo, taxa de quadros, etc.). O
software consulta os dados do sensor para a medição temporalmente mais próxima de cada imagem
com base no carimbo de data/hora da imagem e traça a medição ao lado da imagem. Assim, imagens e
gravações de estações de meteorologia não precisam ser precisamente síncronas, pois o software
encontrará a correspondência mais próxima possível. Isso significa que qualquer fonte de imagem pode
http://chdk.wikia.com/wiki/CHDK
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ser emparelhada com qualquer arquivo de dados tabular, mesmo que os dois não sejam projetados para
serem usados em conjunto.
A abordagem de imagem/sensor ambiental ligada ao lapso de tempo levou a novas descobertas e
associações-chave de processos. Dois exemplos dos Vales Secos de McMurdo se destacam – eles
demonstram como as estações meteorológicas integradas e as técnicas de dados de lapso de tempo
podem fornecer informações sobre os processos glacial, fluvial e de permafrost.
- Fig. - É muito. 1. Três quadros de uma sequência de lapso de tempo
no chão do Vale de Upper Wright, nos Vales Secos de McMurdo,
mostrando relações entre a temperatura da superfície e a descarga da
ravina em escalas diárias. Imagens de lapso de tempo capturaram um
evento de inundação anômala em um fã de ravina em dezembro de
2010. As temperaturas superficiais foram registradas pela estação
meteorológica (met) mostrada na Figura 1b. A escala apresentada na
Figura 1a foi feita a partir de medidas de grade realizadas no campo
durante a aquisição dos dados.
Geração e Transporte de Salmoura
O primeiro exemplo é de Don Juan Pond, localizado no Vale de Upper Wright, nos Vales Secos
McMurdo. A lagoa é o corpo natural mais salino de água na Terra [Meyer et al., 1962], composto quase
inteiramente de uma salmoura de cloreto de cálcio. Como tal, não congela totalmente e é um local
provocativo para determinar os limites dos extremófilos na Terra [Samarkin et al., 2010] e o potencial de
salmoura e vida primitiva em Marte [Burt e Knauth, 2003; Marchant e Head, 2007].
Há muito hipótese a ser obtida por águas subterrâneas profundas [Harris e Cartwright, 1981],
observações diretas de entradas na lagoa não haviam sido publicadas anteriormente. Durante a
campanha de campo de 2009-2010, a imagem em lapso de tempo forneceu evidências diretas de
https://i0.wp.com/eos.org/wp-content/uploads/2014/11/95-46_Dickson_web1.jpg?ssl=1
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descarga de nervas dentro da camada de solo de aproximadamente 20 centímetros, correlacionada com
picos de temperatura diários, sem evidência de uma contribuição profunda de águas subterrâneas (veja
o nas informações de apoio adicionais na versão on-line deste artigo) [Dickson et al., 2013].
Esta atividade de salmoura rasa é consistente com a geração de salmoura por deliquescência de sais de
cloreto de cálcio [Wilson, 1979], que também foi documentada como sequências de lapso de tempo
registraram hidratação do solo correlacionada com aumentos na umidade relativa (Feivimento 2 na
versão online) [Dickson et al., 2013]. Imagens de lapso de tempo nesta análise refinam a compreensão
científica da geração e transporte de salmoura em ambientes polares, fornecendo hipóteses para a
potencial atividade da salmoura em Marte [McEwen et al., 2011].
Determinando as causas do derretimento de uma camada de gelo enterrada
Além disso, a imagem de lapso de tempo acoplado com observações meteorológicas in situ no Vale de
Garwood, na Antártida, foi usada para determinar as causas da perda acelerada deum remanescente
enterrado de camada de gelo colocado no fundo do vale durante o Pleistoceno [Levy et al., 2013], cerca
de 20 a 30 mil anos atrás. Imagens de lapso de tempo mostraram que, como o gelo anteriormente
enterrado foi exposto à intensa iluminação do verão em um dramático penhasco de gelo, o derretimento
e a erosão da paisagem congelada aceleraram.
Enquanto os exames bianuais do lidar revelaram que a taxa de derretimento do gelo do solo estava se
acelerando, os papéis relativos do derretimento versus detritos avalancha e a falha do bloco de
penhascos de gelo expostos não foram claramente resolvidos. Da mesma forma, porque o estágio do rio
Garwood, que passa pelas falésias de gelo, é altamente variável em escalas de tempo sazonais e
diurnas [Levy et al., 2013], as visitas curtas ao local do campo não foram suficientes para determinar se
a transferência de calor do rio para os depósitos de gelo da margem do rio foi um fator significativo.
Imagens de lapso de tempo no local revelaram dois insights importantes sobre as causas do
derretimento acelerado do gelo no solo em Garwood Valley (veja o Filme 3 na versão online). Primeiro,
as avalanches de detritos que removem a cobertura de sedimentos isolantes do gelo são ativadas
termicamente, ocorrendo com mais frequência quando o topo do gelo subjacente já está derretendo.
Isso limpa o gelo exposto com sedimentos quentes e escuros que acelera ainda mais o derretimento ao
longo da face completa dos penhascos de gelo. Além disso, o nível do rio, que se pensava estar
aquecendo o gelo e causando o derretimento, geralmente está bem abaixo do nível em que o
derretimento do gelo do solo e a falha do bloco ocorrem na margem do rio, sugerindo que os processos
de insolação, em vez de avecção fluvial de calor, dominam o equilíbrio energético que leva à rápida
erosão deste gelo antigo.
O poder de preservar as paisagens à medida que elas evoluem
Imagens de lapso de tempo integradas com medições meteorológicas fornecem documentação sem
precedentes dos processos da paisagem à medida que evoluem com as mudanças nas condições
climáticas. Os produtos gerados permitem descobertas científicas fundamentais que são valiosas para a
comunidade científica e facilmente relacionáveis com o público, incluindo os formuladores de políticas.
Essa versatilidade está motivando o desenvolvimento de técnicas relacionadas, incluindo imagens
estéreo com geração de modelos de elevação digital para lapso de tempo tridimensional (totografia time-
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2014EO460001
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2014EO460001
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lapse), imagens infravermelhas de lapso de tempo para análise da evolução térmica de superfície e
comunicações por satélite com estações de lapso de tempo para acesso remoto aos dados. O valor da
imagem de lapso de tempo é maximizado quando é tratado como um componente de uma rede de
monitoramento maior, focada em conectar a resposta da superfície da Terra aos processos ambientais
que a moldam.
Agradecimentos
Agradecemos às dezenas de colegas que ajudaram em muitas instalações de campo. Em particular, a
orientação e o apoio de Dave Marchant são muito apreciados, bem como a assistência técnica de
Brendan Hermalyn e Christoph Thomas. A gestão logística da Raytheon Polar Services, do Contrato de
Apoio Antártico, da Petroleum Helicopters International e da Helicópteros da Nova Zelândia apoiou muito
nossos esforços. Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation Antarctic Science
Division (Divisão de Programas Polares) através de doações para J.W.H. (ANT--(R--?(0739702)), David
R. Marchant (ANT-1144224) e J.S.L. (PLR-1343835 e PLR--? 1343649), que são reconhecidas com
gratidão.
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Informações do autor
O James L. Dickson, Departamento de Ciências da Terra, Meio Ambiente e Planetárias, Brown
University, Providence, R.I.; e-mail: jdickson-brown.edu ; Joseph S. Levy, Instituto de Geofísica,
Universidade do Texas em Austin; e James W. Chefe, Departamento de Ciências da Terra, Meio
Ambiente e Planetárias, Brown University, Providence, R.I.
? 2014 Em 2014 União Geofísica Americana. Todos os direitos reservados.
? 2014 Em 2014 União Geofísica Americana. Todos os direitos reservados.
https://undefined/mailto:jdickson@brown.edu