Ученые СПбГУ создали нейросеть для определения углерода в морях и океанах

Внутригодовая пространственная изменчивость pCO2 в поверхностном слое Балтийского моря в 2022 году. Источник: журнал Oceanology

Морские растения поглощают растворенный в воде углекислый газ в процессе фотосинтеза, а после отмирания способствуют его долгосрочному хранению в глубинных слоях океана. Это помогает снижать парниковый эффект, поскольку Мировой океан поглощает около 25% антропогенных выбросов диоксида углерода. Однако избыток углерода приводит к закислению водоемов, что разрушает кораллы и раковины, а разложение органики снижает уровень кислорода в придонных слоях, создавая «мертвые зоны».

Балтийское море, будучи мелководным и замкнутым, особенно подвержено этим процессам. Обилие речного стока и слабый водообмен с океаном провоцируют бурное развитие — «цветение» — цианобактерий, которые усиливают поглощение углерода, но также ухудшают качество воды и расширяют области с дефицитом кислорода. Это угрожает экосистеме, делая ее уязвимой к дальнейшим климатическим изменениям.

Для измерения углекислого газа в воде океанологи используют показатель парциального давления (pCO₂) — того давления, которое создавал бы газ, если бы он один занимал весь объем. В океанологии этот параметр показывает, насколько вода насыщена CO₂ по сравнению с атмосферой.

Специалисты Санкт-Петербургского университета проанализировали данные о параметрах среды, влияющих на концентрацию углекислого газа, и построили модель для оценки парциального давления с использованием искусственного интеллекта. Для нейросети использовали показатели освещенности, температуры и солености водоема, а также глубину перемешанного слоя, взятые из открытой базы экспедиционных данных SOCAT, а также со спутников.

«Мы создали карты парциального давления для поверхностного слоя всего Балтийского моря, используя реальные измерения параметров воды. Такие карты позволяют точнее оценить параметр в районах с редкими замерами — например, у берегов заливов или в прибрежных зонах в осенне-зимний период. Наша модель дает реалистичные показатели, подтвержденные спутниковыми и модельными данными», — пояснила доцент кафедры океанологии СПбГУ, лектор Российского общества «Знание» Полина Лобанова.

Доцент СПбГУ Полина Лобанова стала одним из победителей всероссийского конкурса «Знание. Лектор» и получила специальный приз — путешествие на теплоходе с возможностью проведения лекций на борту. О работе ученого-океанолога и Мировом океане она рассказывала в подкасте СПбГУ «Генрих Терагерц».

Как отметила выпускница Санкт-Петербургского университета Софья Кузьмина, машинное обучение использует два типа данных: тренировочные и тестовые. Первые учат модель определять, каким значениям pCO₂ соответствуют заданные параметры. Например, при понижении температуры воды парциальное давление может возрасти, поскольку растворимость газа увеличивается. Алгоритм запоминает эту зависимость и анализирует ее в сочетании с другими факторами, чтобы эффективно использовать в дальнейшем.

Затем модель проверили на тестовой выборке, где она самостоятельно предсказала значения парциального давления на основе новых параметров. Ученые сравнили ее расчеты с реальными экспедиционными данными, полученными в Балтийском море, и подтвердили корректность системы.

Выпускница СПбГУ Софья Кузьмина — дважды призер открытой международной олимпиады СПбГУ среди студентов и молодых специалистов Petropolitan Sience (Re)Search по направлению «Науки о Земле», участник научных экспедиций по экологическому мониторингу Авачинского залива (Берингово море) и Пенжиской губы Охотского моря и других проектов Университета.

«Мы применяем многослойный перцептрон — нейронную сеть, которая прогнозирует pCO₂, используя несколько скрытых уровней принятия решений. На каждом этапе учитывается вклад различных параметров, что позволяет избежать переобучения, обычно необходимого для таких моделей, и получить объективную оценку», — добавила Софья Кузьмина.

В исследовании также описаны многолетние и сезонные колебания pCO₂ в Балтийском море, эти результаты согласуются с предыдущими работами, что подтверждает корректность модели.

Результаты исследования, полученные в рамках подготовки выпускной квалификационной работы магистрантки программы «Физическая океанография и биопродуктивность океанов и морей (ФОБОС)», опубликованы в научном журнале Oceanology.