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

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

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.

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 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 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 - 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 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 главную страницу семинара

Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами

Наверх

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)

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 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.