Космические исследования океана

На главную страницу семинара


Тема 1      Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

    Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами


3. Морские течения, динамика водных масс

    3.1. Течения
   
3.2. Фронты и фронтальные зоны в океане
   
3.3. Вихри и вихревые структуры
   
3.4. Апвеллинг

3.1. Течения

Течения в океане можно наблюдать по косвенным признакам – изменению температур или перемещаемым течением битым льдам, взвесям, фитопланктону (так называемым трассерам), фиксируемым с помощью различных датчиков дистанционного зондирования. Прежде всего это датчики, работающие в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах. Пассивные трассеры, такие как хлорофилл или температура, визуализируют течения, которые отображаются в поле температуры или цвета моря на снимках в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах. Поле геострофических течений можно получить через измерения аномалий поля уровня с помощью космических альтиметров (высотомеров).

Вариации скорости течения видоизменяют параметры гравитационно-капиллярного волнения, которые в свою очередь перераспределяют интенсивность отражённого радиосигнала; изменение скорости меняет также пространственный спектр волнения, как в коротковолновой, так и в длинноволновой областях. Поэтому участки течения с резкими изменениями направления или градиента скорости (границы течения, его структура и перемежаемость течений) при благоприятных условиях могут отобразиться на космических снимках; зоны усиления или ослабления течений, модулируя более длинноволновые компоненты волнения, также могут создавать характерные картины на изображениях. Границы течений при слабом ветре могут трассироваться также сликами (гладкими пятнами) поверхностно-активных веществ, которые, как участки без волнения, хорошо отображаются на радиолокационных снимках. Они подчеркивают в том числе и вихревые структуры, создавая на радиолокационных изображениях муаровую текстуру.

Возможности измерения с помощью радиолокационной съёмки характеристик течений в океане исследовались неоднократно. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность измерения мезомасштабного поля скорости интенсивных течений при помощи космической радиолокации. Однако, используемые сейчас системы РСА (SAR) не пригодны для таких исследований, так как и не обеспечивают векторных измерений и не позволяют получать пространственную картину поля скорости. Для восстановления поля скоростей течений необходимо создание специализированных космических радиолокационных интерферометрических систем.

Зато на радиолокационных снимках достаточно часто регистрируются поверхностные проявления, создаваемые течениями. Приливы и приливные явления видны на них благодаря тому, что генерируют на мелководье или в прибрежной зоне – на банках, отмелях и в узких желобах – приливные течения различной интенсивности, которые при взаимодействии с волнением и морским дном создают различные эффекты на морской поверхности. В зонах взаимодействия течений могут возникать фронты, полосы сулоев и толчеи; эти явления обнаруживаются как ряд светлых полос или пятен.

 

Границы течений и структуры, связанные с течениями, такие как фронты, меандры, струи, грибовидные структуры и вихри, хорошо видны в поле температуры на снимках в тепловом инфракрасном диапазоне.

 

Течение Гольфстрим в поле температуры поверхности океана по данным тепловой инфракрасной съёмки радиометром AVHRR на спутнике NOAA.

Чётко видны тёплые (антициклонические) ринги слева от Гольфстрима, в то время как холодные (циклонические) справа менее выражены.

© NOAA

 

http://www.remss.com/rss_research/viewing_ocean_currents_with_sst.html посмотреть, как выглядят течения на тепловых космических изображениях TMI/TRMM.


Наверх

К 1 теме семинара 

3.2. Фронты и фронтальные зоны в океане

Фронты и фронтальные зоны относятся к числу наиболее интересных явлений в океане. В соответствии с классическим определением фронтальной зоной считается такая зона в океане, где наблюдаются пространственные градиенты основных термодинамических характеристик по сравнению с  их фоновым распределением. В свою очередь, фронтальный раздел – это поверхность внутри фронтальной зоны, совпадающая с поверхностью максимального градиента одной или нескольких характеристик (температуры, солёности, плотности, скорости и т.д.). Тогда фронт – это след пересечения фронтального раздела со свободной поверхностью океана.

В океанологии фронтальные зоны подразделяют на климатические и синоптические. Климатические фронтальные зоны – это квазистационарные зоны, связанные с глобальным распределением радиации, осадков и испарения, а также с влиянием общей циркуляции океана и атмосферы. Синоптические фронтальные зоны обусловлены процессами синоптического масштаба в океане и атмосфере. В океане возникает и ряд локальных фронтов, а именно: фронты у границ апвеллинга, у кромки шельфа мелководных морей (как результат нарушения стратификации сильными приливами), фронты в устьях рек, особенно в эстуариях. Типичные масштабы фронтов Мирового океана (не фронтальных зон) следующие: характерный линейный (пространственный) размер – 10 км-100 км; перепад температур – 1-6°С, горизонтальные градиенты температуры – 0,1-30°С/км; перепад солености – 0,2-10 ‰, горизонтальные градиенты солёности – 0,1-10 ‰/км.

В фронтальных зонах протекают интенсивные динамические процессы, особенно там, где встречаются водные массы с наибольшими различиями физико-химических свойств, например, в субполярных и полярных фронтальных зонах, в то время как экваториальные и тропические фронтальные зоны менее динамичны, так как различия физико-химических свойств в них невелики.

 

Важнейшими отличительными свойствами фронтальных зон вне зависимости от масштабов являются их сложная структура, высокая динамичность и пространственно-временная изменчивость. О сложности структуры можно судить хотя бы по фронтальной зоне Гольфстрима, которая включает множество отдельных фронтальных разделов. Наконец, фронтальные зоны являются областями повышенной биопродуктивности, чрезвычайно важными в промысловом отношении.

 

Фрагмент радиолокационного снимка со спутника «Алмаз».

На снимке отобразилась фронтальная граница молодого ринга Гольфстрима. Видна характерная текстура поверхности моря внутри ринга и фронтальная граница переменного контраста.

© НПО машиностроения

Фронты на поверхности океана имеют в основном вид протяженных полос с максимумами горизонтальных градиентов характеристик и экстремумами характеристик состояния морской поверхности. Внутри фронтальной зоны может существовать несколько фронтальных разделов. Визуально фронты чаще всего наблюдаются как относительно узкие полосы на морской поверхности, в которых скапливаются поверхностно-активные вещества, водоросли, плавающий мусор и т.п. Фронты выявляются также по резкому изменению характеристик поверхностного волнения, рассеивающего дневной свет.

Во фронтальных зонах обычно наблюдается сильная конвергенция (схождение) поверхностных течений и резкий горизонтальный сдвиг скорости; в первом случае – вода вдоль линии конвергенции опускается, а на морской поверхности концентрируются различные плавучие предметы и вещества; а во втором – из-за сильного сдвига скорости и поперечной неустойчивости потока, фронтальной зоне свойственна неустойчивость, которая может привести к меандрированию (петлеобразному изгибанию) линии фронта и, следовательно, к образованию меандров, а затем вихрей (рингов) по ту или иную сторону от фронта, представляющих собой замкнутые кольцевые образования (см. снимок Гольфстрима).

Наиболее информативными космическими датчиками для мониторинга фронтов, выраженных в поле температур поверхности океана, являются датчики, работающие в тепловом инфракрасном диапазоне, например, радиометры AVHRR на спутниках NOAA или ATSR/AATSR на спутниках ERS-1, ERS-2, Envisat. Космические радиолокаторы с синтезированной апертурой также могут давать ценную информацию, как дополняющую полученную в тепловом диапазоне, так и в некоторых случаях заменяющую её.


Наверх

К 1 теме семинара     |     На главную страницу семинара

 

3.3. Вихри и вихревые структуры

В Мировом океане наблюдается большое разнообразие вихрей и вихревых движений. Обычно выделяют фронтальные вихри, вихри открытого океана, возникающие вследствие бароклинной неустойчивости; топографические вихри, связанные с обтеканием подводных препятствий водными массами, и синоптические вихри, порожденные атмосферными процессами (например, тайфунами). Различают циклонические и антициклонические вихри (по типу вращения), крупномасштабные, промежуточные и мезомасштабные (по пространственным масштабам), а также квазипостоянные, долгоживущие и краткоживущие (по времени существования).

  Вихрь у побережья Черного моря

на радиолокационном снимке со спутника ERS-2

© ESA

 

    Вихрь на периферии Куросио

на радиолокационном снимке со спутника ERS-2

© ESA

 

 

  Вихрь в заливе между островами Багамского архипелага

на радиолокационном снимке со спутника «Алмаз»

© НПО машиностроения

 

Наиболее хорошо изучены фронтальные вихри и вихри открытого океана. Первые (их иногда называют рингами) возникают в зонах крупных меандрирующих течений, таких как Гольфстрим, Куросио и др. Вихри открытого океана в отличие от фронтальных являются «свободными», так как перемещаются как планетарные волны, не увлекая за собой воду, при этом они часто проявляются в виде цепочки следующих друг за другом вихрей. К вихревым образованиям относятся и так называемые грибовидные течения (или структуры), открытые в начале 80-х гг. в результате анализа космических снимков. Грибовидное течение – это сочетание узкого струйного течения и пары вихрей противоположного знака – диполей, из-за чего эта вихревая структура напоминает гриб в разрезе.

  Вихри и грибовидные структуры в Северном Каспии

на радиолокационном снимке со спутника ERS-1

© ESA

 

Исследования последних лет показали, что в океане распространены еще и другие типы мезомасштабных вихрей и вихревых структур. Спутниковая информация даёт уникальную возможность увидеть картину вихревых движений в океане. Съёмки из космоса, выполненные в видимом, тепловом инфракрасном и радиодиапазонах, показали, что помимо крупномасштабных, долго живущих квазистационарных вихрей в океане (открытых, кстати, с помощью контактных измерений) существуют разнообразные разномасштабные вихревые образования с временем жизни от нескольких суток до нескольких недель. Удалось получить представление о пространственно-временных масштабах, механизмах формирования, эволюции и диссипации вихревых структур. Среди них следует упомянуть: ринги открытого океана, возникающие из-за меандрирования крупномасштабных течений (таких как Гольфстрим и Куросио) при отрыве меандров, одиночные вихри открытого океана, цепочки сдвиговых вихрей, вихри за островами (в том числе стоячие и дорожки Кармана), вихри, возникающие из-за неоднородности береговой черты (в бухтах, заливах, за мысами), вихри в месте встречи или расхождения течений, присоединенные вихри, грибовидные течения (дипольные структуры), конвективные вихри и др. Космические изображения позволяют получить информацию о типах нестационарных вихревых движений в океане, об их горизонтальных масштабах, времени жизни, направлении вращения (циклонический или антициклонический вихрь) и направлении перемещения в пространстве. Поскольку вихри проявляются на морской поверхности, модулируя мелкомасштабное ветровое волнение в зонах сходимости вихревых течений биогенными пленками, в полях температуры, дрейфующего льда, взвеси или хлорофилла, то это позволяет изучать их, используя принцип множественности, с помощью серии разных датчиков на одном спутнике, выполняя квазисинхронные съёмки в видимом, тепловом инфракрасном и радиодиапазонах.


Наверх

3.4. Апвеллинг

Апвеллингом в океанологии называют явление подъёма глубинных вод (более холодных, солёных и насыщенных биогенными элементами) на поверхность. Различают два типа апвеллинга: прибрежный и открытого океана. Прибрежный апвеллинг возникает вследствие сгона поверхностных вод ветром и подъёма на их место глубинных вод. Наиболее известны Перуанский, Канарский, Калифорнийский, Сомалийский, Бенгальский апвеллинги. В открытом океане апвеллинг образуется из-за дивергенции (расхождения) поверхностных течений как компенсационный подъём глубинных вод к поверхности; хорошо известна дивергенция в районе экватора и у побережья Антарктиды. Существование зон постоянного апвеллинга имеет огромное значение для рыбного промысла.

Районы выхода на поверхность глубинных вод имеют гладкую поверхность и выглядят на радиолокационных космических снимках как обширные тёмные области с резкими границами. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, уменьшение шероховатости морской поверхности может быть связано с формированием над холодной водой устойчивой стратификации атмосферы (скорость ветра меньше пороговой и резонансные гравитационно-капиллярные волны не возбуждаются). Во-вторых, поверхность холодной воды в зоне апвеллинга может быть покрыта пленками поверхностно-активных веществ, образовавшихся за счет активной жизнедеятельности планктона. Вода в зоне апвеллинга значительно насыщена биогенными веществами, выносимыми с глубины, что благоприятствует развитию планктонных организмов. Выделяющиеся при этом органические вещества (жирные спирты, кислоты и т.п.), скапливаясь на поверхности и собираясь в пленки, гасят мелкомасштабное поверхностное волнение.

Апвеллинг к северо-востоку от о.Тайвань на снимке в видимом диапазоне со спутника SPOT

© CNES, ESA

 

Апвеллинг в поле температуры у побережья Калифорнии на тепловом инфракрасном снимке со спутника NOAA

© NASA

 

Апвеллинг к северо-востоку от о.Тайвань на радиолокационном снимке со спутника ERS-1

© CNES, ESA

 

Из космоса апвеллинг может быть виден на снимках во всех трёх диапазонах электромагнитного спектра: в видимом – в поле хлорофилла, в тёпловом инфракрасном – в поле температур поверхности океана, а при локации в радиодиапазоне – по выглаживанию коротковолновых компонент ветрового волнения; очевидно, что радиолокационная съёмка океана позволяет получить дополнительную информацию об этом явлении.

 


Наверх

К 1 теме семинара     |     На главную страницу семинара

Интернет-семинары