Космические исследования океана

На главную страницу семинара


Тема 1      Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

    Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами


8. Морские льды

Сравнительно недавно единственным способом получения данных о ледовой обстановке были визуальные наблюдения с самолётов, кораблей и экспедиционных судов. Помимо ряда преимуществ, визуальным наблюдениям свойственны недостаточная точность определения характеристик и привязки к месту наблюдений, субъективность количественных оценок, малая обзорность, высокая стоимость, ограниченность во времени и пространстве. Поэтому с недавнего времени традиционные методы визуальных оценок перестали удовлетворять запросы науки и практики, и для авиаразведок стали применяться космические съёмки.

Уже с середины 1960-х годов по снимкам со спутников (ESSAT) в автоматическом режиме стали создавать фотокарты морских льдов для северного полушария, сочленяя снимки с отдельных витков, переводя их в картографическую проекцию, выполняя фильтрацию облачности на основе выбора минимальной яркости изображения за несколько дней и разделяя типы льдов разной сплоченности по яркости изображения. Однако облачность и зависимость от условий освещения в приполярных странах сдерживали развитие таких методов мониторинга льдов.

С внедрением в космические исследования радиолокационной съёмки наиболее перспективными стали космические радиолокационные системы наблюдения за ледовым покровом, позволяющие получать всепогодную, независимую от времени суток и года, точную и оперативную информацию.

Льды, встречающиеся в море, классифицируются по происхождению, видам, формам, подвижности и др. признакам. По происхождению они делятся на морские, речные и материковые.

В зависимости от стадии развития морские льды делятся на ряд видов и форм. Процесс льдообразования на поверхности моря начинается при незначительном переохлаждении морской воды. Начальные виды льда –ледяные иглы, ледяное сало и шуга. При дальнейшем охлаждении ледяное сало превращается в нилас – лёд толщиной 5-10 см; нилас трансформируется в молодые серые (толщина 10-15 см) и серо-белые (толщина 15-30 см) льды. Из начальных видов льда при незначительном волнении, а также в результате разрушения полей ниласа и серого льда, образуется блинчатый лёд. Белый лёд (толщина 30-70 см) в неарктических морях – это предельная возрастная стадия. Нерастаявший за лето лёд превращается в двухлетний (толщина более 120-150 см), а лёд, просуществовавший более двух лет, называется многолетним или арктическим паком, он имеет толщину более 2 м.

По подвижности морские льды делятся на припай (сплошной ледяной покров, связанный с берегом или мелководными участками дна) и плавучий (дрейфующий) лед, который движется под действием ветра и течения. Плавучие льды различаются по форме и размерам, по возрасту, сплоченности и др. признакам. Среди дрейфующих льдов попадаются айсберги и ледяные острова – крупные образования материкового льда.

 

Различные виды морского льда в Беринговом проливе на радиолокационных изображениях спутника ERS-1
© ESA

 

Однолетний лёд обычно покрыт снегом. Поля белого льда, возникшего в спокойных условиях, имеют значительные размеры (3-10 км) и угловатую или округлую форму. Более толстые белые льды обычно покрыты трещинами и грядами торосов. В зависимости от динамики района, однолетний лёд может представлять собой поля смёрзшихся льдин размером от 1-2 до 10-15 км. В весенний период и в периоды оттепелей в слое снега появляется свободная вода, кроме того, периодические процессы таяния и замерзания приводят к метаморфизации снега и образованию в его толще кристаллов льда. В результате этого физические и соответственно рассеивающие свойства морских льдов весьма разнообразны и значительно меняются во времени и от места к месту.

Морской лёд представляет собой весьма динамичную природную среду. Одновременно существует множество видов льда, имеющих различную историю развития. При росте и разрушении морского льда условия на его поверхности и толще постоянно меняются, что в основном предопределяет разнообразие шероховатости его поверхности и внутреннего строения. Существенный вклад в это разнообразие вносят пространственно-временные вариации характеристик снежного покрова.

 

Динамика схода ледяного покрова в Карском море на снимках со спутника Terra, MODIS в 2001 г.
© ИТЦ Сканекс

Различные по своим параметрам льды имеют различные радиофизические характеристики, динамический диапазон рассеянных сигналов от морских льдов может составлять 20-40 дБ. Основными характеристиками морских льдов, которые необходимы для решения практических задач, являются их сплочённость, положение кромки льдов (дрейфующих или припайных), дрейф (направление и скорость), возраст (толщина льдов) и ряд других второстепенных параметров (торосистость, наслоенность, разрушенность и т.п.). Ряд из них, такие как сплочённость, положение кромки и дрейф льдов достаточно легко определить, используя данные съёмок в видимом или радио- диапазоне, в то время как определение возрастных характеристик ледяного покрова является наиболее сложной задачей, успешно решаемой на основе регистрации собственного микроволнового излучения льдов, то есть при пассивной микроволновой радиометрической съёмке, которую, однако, пока удаётся выполнить лишь в очень грубым разрешением (6 км).

Другой возможный метод решения этой задачи – космическая радиолокация. Для некоторых видов льдов существует однозначная зависимость яркости изображения/радиолокационных контрастов и их возраста. Современные спутники позволяют получать изображения высокого и среднего разрешения в видимом, тепловом инфракрасном и радио- диапазонах, по которым могут быть оперативно составлены достаточно точные карты ледового покрова для большинства полярных районов. В настоящее время для оперативных наблюдений за ледовым покровом арктических морей применяют спектрорадиометры высокого и среднего разрешения (MODIS на спутниках Terra и Aqua), а также радиолокаторы с синтезированной апертурой SAR на спутниках ERS-2, Envisat и Radarsat и микроволновые радиометры (SSM/I на спутнике DMSP и AMRS-E на спутнике Aqua). К 2005 г. был создан специализированный спутник Cryosat, аппаратура которого, впервые соединяющая возможности альтиметрии и интерферометрии – интерферометрический радиометрии с синтезированной апертурой SIRAL (SAR Interferometric Radar Altimeter) должна была обеспечивать определение толщины льда на краях ледовых полей по разности высоты льда и воды. К сожалению, запуск этого спутника оказался неудачным.

Четверть-вековой архив снимков морских льдов накоплен благодаря микроволновой съёмке со спутников Nimbus 5 (1975 г.), Nimbus 7 (1978 г.) с разрешением 25 и 12 км (микроволновой радиометр – SMMR (Scanning Multichannel Microwave radiometer)),  а затем – со спутника DMSP (SSM/I Spectral Sensor Microwave Imagery, разрешение 50 км), и с 2002 г. – со спутника  Aqua (AMSR-E – Advanced Microwave Scannning Radiometer, разрешение 6 км).

Наверх

Большая часть спутниковых данных сосредоточена в США в NSIDC – Национальном Центре данных по снегу и льду США (The National Snow and Ice Data Center) – эти данные доступны для исследователей по каналам Интернета.
 

Созданы анимационные фильмы сезонных изменений распространения морских льдов, а по разновременным изображениям – карты «индекса движения льда». Создан атлас дрейфа морских льдов в Антарктике с 1979 г на основе сочетания данных микроволновой съёмки и наблюдений буёв.

Примеры анимаций: сопоставление площади распространения льдов в Арктике и Антрарктике для сроков минимального  и максимального сезонного покрытия за период 1979-2010 г: http://nsidc.org/sotc/sea_ice_animation.html

 

 

 

На рисунке представлено помесячное изменение концентрации морских льдов в Антарктике за 1996 г.

 

  Несмотря на малое разрешение снимков, по этим данным созданы глобальные карты распределения и концентрации морских льдов («индекса морских льдов») – недельные, среднемесячные, среднегодовые, начиная с 1978 г.

 

 

 

По этим данным чётко выявляется тренд уменьшения площади морских льдов в Северном полушарии и относительно стабильное состояние площади морских льдов в южном

Источник: http://nsidc.org/

 


Полезные ссылки:

http://nsidc.org/sotc/sea_ice.html подробно о морских льдах и способах их изучения из космоса

http://nsidc.org/data/index.html  данные по морским льдам NSIDC Национального (США) Центра данных по снегу и льду


Наверх

К 1 теме семинара     |     На главную страницу семинара

Интернет-семинары