Межуниверситетский аэрокосмический центр при Географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова

О Центре

Интернет-семинары   |   Программа MultiSpec


Космические исследования океана

На главную страницу семинара


Тема 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

Нерешённые проблемы

Слабо изучена, пока на уровне гипотетических построений динамика водных масс всей толщи океана. Остается нерешённым 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, «мёртвая 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 буёв 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

Всё 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 самолётов, 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 полёта 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 времён 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 отражённого океаном солнечного света. Такую съёмку 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 серии ATSR (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 приёме 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 солёности, 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 – РЛСБО на 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 освещённостью. Датчики радиодиапазона SAR, РЛСБО, СВЧ-радиометры, альтиметры и скаттерометры могут работать независимо от облачности и освещённости. В настоящее время исследования океана радиолокационными методами являются одним из активно развивающихся направлений спутниковой океанографии.


Наверх

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

 TMI/TRMM  и др.

Солёность на поверхности океана

Солёность

СВЧ-радиометры

SMOS, Aquarius (в разработке)

Морские течения,
динамика водных масс

Скорость и направление течения, морфологическая структура

Тепловые ИК-радиометры AVHRR/NOAA, TMI/TRMM

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-1, 2, 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-1, 2,

Envisat и др.

 


Наверх

На главную страницу семинара

 

Температура и солёность 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 её температуры и солёности. 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 солёности 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 ведётся 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)

 

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 серьёзную проблему для судоходства. Их распространение фиксируется съёмочными системами оптического диапазона, а для изучения типа и возраста льдов, их толщины, сплочённости, динамики используются активные (SAR) и пассивные системы радиодиапазона. (Подробнее)

 

Рельеф дна

Подводный рельеф мелководий, изучение которого особенно важно в связи с освоением шельфа, фиксируется съёмочными системами оптического диапазона лишь 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.

Авторы исходных материалов:  А.Ю. Иванов, В.И. Кравцова.
Авторы Интернет-версии материалов: Е.А. Балдина, Е.Р. Чалова
.


Наверх

На главную страницу семинара     |     Интернет-семинары