Современные проблемы географии

Со времен глубокой древности известно, что на поверхности  океана проявляются самые разнообразные гидрофизические и гидробиологические процессы, происходящие как внутри океана, так и на его поверхности при взаимодействии с атмосферой. Основной особенностью, отличающей дистанционные методы исследования океана от традиционных (контактных), является непрямой характер наблюдения физических процессов и измерения их параметров. Приборы, установленные на спутниках, регистрируют активный (отраженный) или пассивный (собственное излучение) сигнал  в различных областях электромагнитного спектра, который необходимо преобразовать в интересующую океанологов физическую величину.

Спутники  и датчики

Дистанционное зондирование в видимом диапазоне  основано на наблюдении яркости рассеянного  и отраженного океаном солнечного света. Такую съемку ведут с помощью  оптических камер и сканеров: из российских – это многозональные сканеры МСУ-М, МСУ-СК и МСУ-Э на спутниках «Ресурс-О» и «Метеор», «Океан»; из зарубежных – сканеры спутников NOAA, Landsat, Spot, IRS и многих других, а также специально созданные для изучения цвета океана системы CZCS (Coastal Zone Color Scaner) спутников Nimbus и SeaWiFS (Sea viewing Wide Field Sensor - сканер цвета моря) спутника SeaStar.

Зондирование  в тепловом инфракрасном диапазоне  для определения температуры  поверхности океана основано на измерении  собственного теплового излучения поверхности океана. Наиболее известен сканирующий радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) на спутниках серии NOAA – его данные получили повсеместное признание и используются во всем мире; другой известный аналог – радиометр серииATSR (Along Track Scanning Radiometer) на европейских спутниках ERS и Envisat.

Пассивное зондирование в микроволновом радиодиапазоне, который в отечественной литературе называют СВЧ-диапазоном, основано на регистрации собственного СВЧ и радиотеплового излучения океана (системы океан-атмосфера); активное (радиолокация) зондирование – на излучении со спутника и приеме отраженного/рассеянного морской поверхностью радиосигнала. Среди данных пассивных СВЧ-радиометров накоплены значительные массивы данных радиометров SSMR спутников Nimbus и SSM/I, спутников DMSP. С помощью пассивных радиометров можно получить информацию о температуре поверхности океана, сплоченности и толщине морских льдов и даже солености, а также влагозапасе облаков, интенсивности осадков, скорости ветра. Основным средством активного зондирования стали радиолокаторы бокового обзора с реальной антенной (РЛСБО) и антенной с синтезированной апертурой (РСА или SAR). Наибольший вклад в исследование океана внесли SAR на спутниках Seasat, ERS-1, ERS-2, Radarsat и Envisat, среди российских – РЛСБОна спутниках серии «Океан» и РСА на спутнике «Алмаз». На принципе активной локации работают также радиоальтиметры (для измерения уровня океана и высоты волн) спутников Topex/Poseidon, Jason и др., и скаттерометры (для измерения поля приповерхностного ветра) NSCAT, QuikScat и др. Большинство перечисленных датчиков позволяют вести глобальный мониторинг Мирового океана и их данные доступны через Интернет практически в реальном времени.

Влияние атмосферы

Работоспособность датчиков оптического диапазона (видимого и теплового инфракрасного) в  значительной степени ограничена погодными  условиями (в первую очередь наличием облачности), состоянием атмосферы  и освещенностью. Датчики радиодиапазона SAR, РЛСБО, СВЧ-радиометры, альтиметры и скаттерометры могут работать независимо от облачности и освещенности. В настоящее время исследования океана радиолокационными методами являются одним из активно развивающихся направлений спутниковой океанографии.

Наверх

На страницу 2 занятия     |    На главную страницу семинара

Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами  

 

Поля  и явления Мирового океана	Параметры и характеристики	Датчик / Спутник
Температура поверхности океана	Температура поверхности  океана	ИК-радиометры, спектрорадиометры AVHRR/NOAA, ATSR/ERS-1-2, AATSR/Envisat, MODIS/Terra, Aqua  и др.
Соленость на поверхности океана	Соленость	СВЧ-радиометры в разработке
Морские течения, динамика  водных масс	Скорость и  направлениетечения, морфологическая  структура	Тепловые  ИК-радиометрыAVHRR/NOAA, радиолокаторы РСА и радиовысотомеры в разработке
Уровень моря	Аномалии поля уровня, колебания уровня	Радиовысотомеры ALT/Topex-Poseidon, RA/ERS-1-2 и др.
Состояние поверхности моря, волнение	Длина, высота и  направление распространения волн	Радиолокаторы РСА, СВЧ-радиометры, альтиметры SAR/ERS-1-2 и Envisat, SSM/I/DMSP, ALT/Topex-Poseidon, RA/ERS-1-2
Приводный ветер	Скорость и  направление ветра	Скаттерометры и СВЧ-радиометры SCAT/ERS-1-2, NSCAT/ADEOS, QuickSCAT/SEAWIND, SSM/I/DMSP и др.
Цвет  воды, биопродуктивность	Цвет воды, концентрация хлорофилла фитопланктона, концентрация взвеси	Многозональные  сканеры и камеры CZCS/Nimbus, SeaWiFS/SeaStar, MERIS/Envisat, MODIS/Terra, Aqua, ADEOS и др.
Морские льды	Распространение,  положение кромки, толщина, возраст, сплоченность, скорость и направление дрейфа льдов и т.п.	Радиолокаторы РСА, СВЧ-радиометры, радиовысотомеры, сканирующие системы оптического  диапазона Radarsat, Envisat, SSM/I DMSP, MODIS/Terra, Aqua, AVHRR/NOAA и др.
Рельеф  дна	Формы рельефа  дна мелководного шельфа, морфология дна Мирового океана	Многозональные  камеры и сканеры, радиовысотомеры ScaSat, ERS, EnviSat
Мезо/мелкомасштабные  явления на морской поверхности	Параметры явлений	Радиолокаторы SAR, РСА Алмаз, ERS-1-2, Radarsat, Envisat и др.

Наверх

На страницу 2 занятия     |     На главную страницу семинара

 

Температура и соленость поверхности океана представляют собой важнейшие характеристики морской воды. Для динамической океанографии важно знать распределение плотности, определяющей движение водных масс, а плотность морской воды есть функция ее температуры и солености. Для измерения температуры водной поверхности из космоса применяют инфракрасные радиометры, работающие на метеорологических и океанологических спутниках, по данным которых регулярно создаются глобальные и региональные карты температур морской поверхности (Подробнее), а для измерения солености в настоящее время разрабатывается аппаратура на базе микроволновых радиометров (Подробнее). 

 

Морские течения – это перемещение водных масс, характеризующееся направлением и скоростью.

Основные силы (причины), вызывающие морские течения, подразделяются на внешние и внутренние. К внешним силам относятся ветер, атмосферное давление, приливообразующие силы Луны и Солнца; к внутренним – силы, возникающие вследствие неравномерного распределения по горизонтали плотности водных масс.

Кроме внешних  и внутренних сил, вызывающих морские течения, сразу же после возникновения движения вод проявляются вторичные силы, к которым относятся отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) и сила трения, замедляющая всякое движение.

На направление  течения оказывают влияние также  конфигурация берегов и рельеф дна. Под полем течений понимается распределение суммарного вектора скорости течения на акватории Мирового океана.

«Увидеть» течения  на космических снимках оказалось  возможным благодаря регистрации  температур поверхности инфракрасными  радиометрами – по таким снимкам определяют ширину струи, меандры, сопровождающие течение вихри (ринги), грибовидные течения. Для количественных измерений поля течений из космоса, определения направления и скорости движения воды в настоящее время применяются интерферометрические системы на основе радиолокаторов с синтезированной апертурой. (Подробнее)

Наверх

Уровень моря

Под уровнем моря понимается положение поверхности воды по высоте в данном месте и в данный момент времени, а под полем уровня - распределение значений уровня в пространстве.

Основными причинами, вызывающими колебания уровня, в  особенности у побережий океанов  и морей, являются: приливы и отливы, ветровой нагон и сгон воды, изменение  атмосферного давления, течения, сейши, изменение плотности воды. Сезонные колебания уровня многих морей связаны с температурным расширением-сжатием водой массы, а глобальные климатические изменения вызывают многолетние колебания уровня Мирового океана, изучение которых сейчас особенно актуально и ведется с помощью радиоальтиметров. (Подробнее) 

 

 

 Состояние поверхности моря, волнение

Под полем волнения понимают распределение элементов поверхностных волн (высоты и длины волны). Преобладающими на поверхности океанов и морей являются ветровые и приливо-отливные волны. Вызывая шероховатость морской поверхности, волны отображаются на радиолокационных снимках. Радиоальтиметры позволяют определять высоту волн, а СВЧ-радиометры – силу волнения. (Подробнее) 

 

Приводный ветер - скорость и направление ветра у поверхности воды - может быть измерен только над океаном СВЧ-радиометрами и скаттерометрами. Они обеспечивают ежедневные глобальные карты ветров. (Подробнее)

Наверх

Цвет воды, биопродуктивность

Поле  цвета океана  -  пространственное распределение оптических характеристик морской воды (избирательного поглощения и рассеяния солнечного света). Цвет воды зависит от концентрации пигмента хлорофилла (фитопланктона) и взвесей, поэтому определение цвета используется для изучения биопродуктивности океана и загрязнения вод. Цветовые характеристики воды получают многозональными сканерами с каналами в голубой и зеленой зонах спектра – CZCS, SeaWiFS. (Подробнее) 

 

Морские льды образуются в высоких широтах и представляют серьезную проблему для судоходства. Их распространение фиксируется съемочными системами оптического диапазона, а для изучения типа и возраста льдов, их толщины, сплоченности, динамики используются активные (SAR) и пассивные системы радиодиапазона. (Подробнее) 

 

Рельеф дна

Подводный рельеф мелководий, изучение которого особенно важно в связи с освоением  шельфа, фиксируется съемочными системами  оптического диапазона лашь в  прозрачных водах и до небольших  глубин. Топография дна мелководных зон отображается также в структурах волнения, фиксируемых радиолокационными снимками. Рельеф дна Мирового океана обусловливает пространственные вариации уровня поверхности океана и изучается по данным радиоальтиметрии. (Подробнее) 

 

Основные физические поля океана и приводной атмосферы  возмущают различные мезо/мелкомасштабные естественные и искусственные явления в океане - нефтяное загрязнение и органические пленки,атмосферные явления, - которые, в свою очередь, локально перераспределяют характеристики полей Мирового океана. Они отображаются на радиолокационных снимках. 

 

Космические исследования океана

Ноябрь 2005 г.

На главную старницу семинара

 

Занятие 1.  Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования.

Основные  проблемы и методы аэрокосмического изучения океана 
Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами

Основные проблемы и методы аэрокосмического изучения океана

Нерешенные  проблемы

Слабо изучена, пока на уровне гипотетических построений динамика водных масс всей толщи океана. Остается нерешенным и ряд важнейших  практических проблем: безопасности мореплавания и судоходства, прогноза погоды, контроля загрязнения окружающей среды и зон повышенной продуктивности. Для судоводителей, рыбаков, работников портов, прогнозистов-океанологов особую ценность представляют научные сведения о таких слабо изученных явлениях как сейши, сулой, «мертвая вода», апвеллинг, меандрирование течений, фронтальные зоны, свечение моря… Сама постановка таких задач предусматривает различные масштабы охвата океана, включая глобальный, и высокую периодичность обновления информации. Однако традиционные методы исследования океана с использованием научно-исследовательских судов и автономных буев предоставить этого не могут, что связано, прежде всего, с невозможностью охватить постоянными измерениями акваторию всего океана и даже малых его частей. Используя традиционные методы исследования, океанологи не могли иметь полной картины пространственно-временной изменчивости океана.

Необходимость дистанционного зондирования

Все это привело  к понимаю того, что к исследованию процессов, протекающих в океане, должны быть привлечены принципиально новые средства и методы наблюдения, из которых наиболее перспективным оказалось дистанционное зондирование с борта космических аппаратов. На смену стали приходить сначала наблюдения с самолетов, а затем – из космоса. А к 70-80-м годам прошлого века сформировалось целое научное направление – дистанционное зондирование океана. С 1970 г. стали доступны инфракрасные снимки океана со спутников NOAA с пространственным и термическим разрешением, достаточным для качественного оценивания горизонтального переноса в приповерхностном слое океана и визуализации динамических структур, проявляющихся в поле температуры поверхности воды. Первые радиолокационные изображения океана из космоса были получены радиолокатором с синтезированной апертурой SAR во время полета американского спутника Seasat в 1978 г., открыв возможность изучения волнения. В настоящее время дистанционное зондирование океана – одно из быстро развивающихся направлений исследований Земли.

Регистрация излучения

Со времен глубокой древности известно, что на поверхности  океана проявляются самые разнообразные  гидрофизические и гидробиологические процессы, происходящие как внутри океана, так и на его поверхности  при взаимодействии с атмосферой. Основной особенностью, отличающей дистанционные методы исследования океана от традиционных (контактных), является непрямой характер наблюдения физических процессов и измерения их параметров. Приборы, установленные на спутниках, регистрируют активный (отраженный) или пассивный (собственное излучение) сигнал  в различных областях электромагнитного спектра, который необходимо преобразовать в интересующую океанологов физическую величину.