Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
Поверхностные волны. Ветровое волнение и зыбь посто- янно видоизменяют состояние поверхности моря, влияя на фор- мирование поверхностных признаков других явлений в океане. Для их регистрации и наблюдения возможно применение сис- тем, работающих как в видимом диапазоне (рис. 4.8), так и в микроволновом радиодиапазоне. Длинные поверхностные волны хорошо различимы на ра- диолокационных снимках в основном из-за наличия на их по- верхности коротких гравитационно-капиллярных волн, которые модулируются орбитальным движением, формой волны, а также локальным ветровым потоком вдоль профиля волны. 115 На радиолокационных снимках можно выделить различные системы волн, распространяющихся в разных направлениях, на- блюдать рефракцию волн на мелководье и интерференцию за препятствиями, иногда отдельные пятна и полосы пены, при- бойную зону и другие детали. Методами спектрального анализа по радиолокационным изображениям можно определять важные параметры морского волнения: длину волны и направление рас- пространения, а также количество систем волнения. На различ- ных стадиях развития волнения картина взволнованной поверх- ности, изменяясь во времени и в пространстве, меняет и струк- туру изображения, это позволяет при помощи дистанционных средств контролировать эти изменения. Приводный (приповерхностный) ветер. Информация о ско- ростях и направлении ветра имеет первостепенное значение при изучении взаимодействия океана и атмосферы, циркуляции океани- ческих вод и их влияния на погоду и климат Земли. Эти же данные необходимы и при изучении таких явлений в океане, как эль-ниньо. Данные о скоростях и направлении приповерхностного вет- ра необходимы для уточнения прогнозов погоды, выявления за- рождающихся ураганов, тропических циклонов, прослеживания путей их следования, расчета интенсивности штормов на море; они используются в навигации для прокладывания курсов судов и при планировании работ на нефтепромыслах в шельфовой зо- не. Во всех случаях информация о ветрах, ежедневно получае- мая из космоса, оказывается значительно более дешевой и опе- ративной, чем получаемая наземными методами. Поле приводного ветра над океаном (скорость и направле- ние ветра у поверхности) может быть измерено микроволновы- ми скаттерометрами. Принцип скаттерометрии (рис. 4.9) осно- ван на том, что радиолокационная система скаттерометра посы- лает микроволновые импульсы и принимает отраженный от по- верхности сигнал. Зондирующий радиоимпульс, направленный под углом к морской поверхности, рассеивается из-за ее шеро- ховатости, обусловленной ветровыми волнами, которые тем выше, чем сильнее ветер. Таким образом, часть отраженного сигнала, принимаемая радаром, хорошо коррелирует со скоро- стью приводного ветра, и по величине коэффициента обратного рассеяния определяется скорость ветра, а по его зависимости от азимутального угла (угол между направлением движения и по- ложением оси антенны) определяется направление ветра. 116 Первый скаттерометр был установлен на борту американ- ского спутника SeaSat (1978 г.), он впервые показал возмож- ность измерения скорости ветра из космоса. Однопроходный скаттерометр, имевший трехантенный радар, работал на борту европейского спутника ERS-1 с 1991-го по 1996 г. В 1996 г. НАСА и Национальным космическим агентством Японии был выведен на орбиту спутник ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite), имевшим на борту скаттерометр NSCAT, обеспечи- вавший получение данных о приводном ветре с разрешением 50 км на протяжении 9-ти месяцев 1996–97 гг. В июне 1999 г. НАСА был запущен спутник QuikScat, имевший на борту новый скаттерометр SeaWinds. В зону его ви- димости попадало 90 % территории Мирового океана, не по- крытой льдом, таким образом пути атлантических и азиатских тропических циклонов прослеживались дважды в сутки, что по- зволяло существенно повысить точность определения их траек- тории и прогноза интенсивности. В 2009 г. QuikScat выработал свой ресурс и закончил свою миссию. Аналогичный скаттеро- метр SeaWinds был установлен на борту спутника ADEOS-II, работавшего на орбите с декабря 2002 г. по октябрь 2003 г. Сейчас продолжает функционировать скаттерометр ASCAT (Advanced Scatterometer), установленный на борту европейского метеорологического спутника MetOp-1 (Meteorological Operational), который был выведен на орбиту 10 октября 2006 г. Он представля- ет собой усовершенствованную модель скаттерометра AMI. В 2009 г. запущен на рабочую солнечно-синхронную орби- ту индийский спутник Oceansat-2, оснащенный в том числе микроволновым сканирующим скаттерометром SCAT (Scanning Scatterometer), который также позволяет определять скорость и направление ветра у морской поверхности. В настоящее время точность измерения скорости ветра скаттерометрами не превышает 1,7 м/с, а направления – 17°. Пространственное разрешение современных скаттерометров со- ставляет 25 км и ниже. Данные о приповерхностных ветрах над любыми участками Мирового океана, получаемые с космических скаттерометров, как во времени, близком к реальному, так и архивные, разме- щаются в сети Интернет на сайте Remote Sensing Systems (http://www.remss.com) (рис. 4.10) и других ресурсах. 117 Рис. 4.7. Карта рельефа дна Мирового океана [Интернет-семинары …, 2013] Рис. 4.8. На аэрофотоснимке хорошо видны эффекты рефракции, интерференции и обрушения океанских волн [Интернет-семинары …, 2013] 118 Рис. 4.9. Принцип действия скаттерометра SeaWinds [Интернет-семинары …, 2013] Рис. 4.10. Распределение ветра над северо-западным районом Тихого океана 19 ноября 2008 г. по данным скаттерометра QuikScat [Remote Sensing Systems, 2013] 119 Специальный микроволновый радиометр SMM/I − еще один прибор спутникового базирования, широко используемый для измерения скорости ветра, устанавливаемый с 1987 года на спутниках U. S. Defense Meteorological Satellite Program, орбиты которых совпадают с полярными орбитами метеоспутников NOAA. Прибор измеряет испускаемую поверхностью океана под углом около 60° от вертикали микроволновую радиацию, интенсивность которой зависит от скорости ветра, водяного па- ра в атмосфере и водности облачных капель. Одновременные измерения на нескольких частотах позволяют рассчитать ско- рость ветра у поверхности. Измерения скорости ветра с помо- щью SSM/I имеют точность 2 м/с. Морские льды. Сравнительно недавно единственным спо- собом получения данных о ледовой обстановке были визуаль- ные наблюдения с самолетов, кораблей и экспедиционных су- дов. Помимо ряда преимуществ, визуальным наблюдениям свойственны недостаточная точность определения характери- стик и привязки к месту наблюдений, субъективность количест- венных оценок, малая обзорность, высокая стоимость, ограни- ченность во времени и пространстве. Уже с середины 1960-х гг. по снимкам со спутников (ESSAT) в автоматическом режиме стали создавать фотокарты морских льдов для северного полушария, сочленяя снимки с от- дельных витков, переводя их в картографическую проекцию, выполняя фильтрацию облачности на основе выбора минималь- ной 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 радиолокацион- ной съемки наиболее перспективными стали космические ра- диолокационные системы наблюдения за ледовым покровом, позволяющие получать всепогодную, независимую от времени суток и года, точную и оперативную информацию. Морской лед представляет собой весьма динамичную при- родную среду (рис. 4.11). 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 разнооб- 120 разие шероховатости его поверхности и внутреннего строения. Существенный вклад в это разнообразие вносят пространствен- но-временные вариации характеристик снежного покрова. Рис. 4.11. Динамика схода ледяного покрова в Карском море на снимках со спутника Terra, MODIS в 2001 г. [Интернет-семинары …, 2013] Основными характеристиками морских льдов, которые не- обходимы для решения практических задач, являются их спло- ченность, положение кромки льдов (дрейфующих или припай- ных), дрейф (направление и скорость), возраст (толщина льдов) и ряд других второстепенных параметров (торосистость, насло- енность, разрушенность и т. п.). Ряд из них, такие как сплочен- ность, положение кромки и дрейф льдов, достаточно легко оп- ределить, используя данные съемок, например в видимом диа- пазоне, в то время как определение возрастных характеристик ледяного покрова является наиболее сложной задачей, успешно решаемой на основе регистрации собственного микроволнового излучения льдов, т. е. при пассивной микроволновой радиомет- рической съемке, которую, однако, пока удается выполнить лишь с очень грубым разрешением (6 км). Другой возможный метод решения этой задачи – космическая радиолокация. Для 121 некоторых видов льдов существует однозначная зависимость яркости изображения/радиолокационных контрастов от их воз- раста. Современные спутники позволяют получать изображения высокого и среднего разрешения в видимом, тепловом инфра- красном и радио-диапазонах, по которым могут быть оператив- но составлены достаточно точные карты ледового покрова для большинства полярных районов. В настоящее время для опера- тивных наблюдений за ледовым покровом арктических морей применяют спектрорадиометры высокого и среднего разреше- ния (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). Температура поверхности воды. Мониторинг мезомасштаб- ной структуры и динамики вод может осуществляться с помощью, например, радиометров AVHRR, установленных на нескольких спутниках серии NOAA или спектрорадиометров MODIS. Съемка с помощью тепловых инфракрасных радиометров, которыми оснащены все функционирующие метеорологические спутники, открыла возможность единовременной глобальной фиксации температур поверхности океана, что невозможно бы- ло сделать судовыми или самолетными методами. Глобальные спутниковые карты температур морской поверхности SST (Sea Surface Temperature) составляются по снимкам AVHRR/NOAA с 1981 г. с разным временным и пространственным осреднением, а с 2001 г. они создаются в реальном масштабе времени на ос- нове многоканального алгоритма определения температур и ис- пользуются в оперативных целях. Помимо изучения собственно температур воды, тепловая ин- фракрасная съемка дает материал для исследования динамических процессов в океане, течений, океанических вихрей и фронтов, ап- веллингов и других явлений, при изучении которых также при- влекают материалы об уровне океанической поверхности. Картографическая информация о температуре поверхности воды необходима для оценки накопления и расходования тепла водной массой в результате ее теплообмена с атмосферой и ло- жем озера, для расчета теплового баланса, для разработки мето- дов прогноза сроков вскрытия и замерзания водоема. Темпера- тура воды является важнейшим параметром, позволяющим вы- 122 явить климатические изменения. В связи с этим постоянный мониторинг и оперативное картографирование температуры по- верхности воды необходимы при изучении глобального и ло- кального изменения климата. Пространственно-временные изменения температуры воды являются также одним из важнейших показателей биологической продуктивности акватории, на которую температура оказывает как прямое, так и косвенное влияние. Температура воды опреде- ляет условия местообитания морской флоры и фауны и является активирующим или ограничивающим фактором процесса фото- синтеза первичного органического вещества. Распределение тем- ператур воды представляет основной диагностический признак для прогноза участков с наиболее вероятными рыбными скопле- ниями. Ежедневные глобальные и региональные карты темпера- тур морской поверхности доступны по Интернету на сайте Remote Sensing Systems (http://www.remss.com/sst/sst_data_daily.html). Установленный по спутниковым снимкам характер распре- деления температур воды в океане существенно отличается от прежних представлений о нем. В противоположность отображае- мому картами изданных атласов океанов плавному изменению температур на поверхности океана наблюдается весьма сложная и контрастная картина, обусловленная струйными течениями и вих- ревыми образованиями. В прибрежных районах субтропических и тропических широт фиксируются фронты между теплыми океа- ническими водами и более холодными прибрежными. Цвет моря. Цветовые характеристики поверхности моря могут быть использованы для оценки типа океанских вод, изуче- ния аномального цветения вод (рис. 4.12), биопродуктивности районов, перспективных для рыболовства и т. д. Цветовые кон- трасты являются важным индикатором при наблюдении фрон- тальных зон – границ течений, вихрей, зон перемешивания, ап- веллинга и т. п., в частности, при наблюдении из космоса. Пре- ломленный свет на границе раздела проникает на некоторую глубину и после поглощения и рассеяния на имеющихся неодно- родностях (в случае фитопланктона – на пигментах живых орга- низмов и на дендрите – взвешенных продуктах жизнедеятельно- сти) частично возвращается в атмосферу, неся информацию о со- держащихся в воде взвешенных и растворенных веществах. 123 Рис. 4.12. Аномальное цветение вод в северо-западной части Черного моря по данным MERIS/Envisat 16 июля 2010 г. Спутниковые датчики цвета океана регистрируют величины яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы в нескольких спектральных каналах. Эти величины обусловлены совокупностью многих факторов, и цепочка, связывающая био- продуктивность вод и сигнал, регистрируемый спутниковым датчиком, оказывается достаточно длинной. От первичной про- дукции (концентрации фитопланктона) непосредственно зави- сит содержание пигментов фитопланктона и взвешенных час- тиц, обусловливающих поглощение и рассеяние света морской водой; именно эти два процесса в основном определяют спек- тральную яркость излучения, выходящего из водной толщи. В настоящее время современные спутниковые датчики цве- та океана обеспечивают получение глобальных и региональных карт распределения концентрации хлорофилла, характеризую- щего распределение биомассы фитопланктона, с полным покры- тием Мирового океана в течение 1–2 дней. Анализ наблюдае- мых изменений полезен для установления связи между динами- кой морских экосистем и физикой верхнего перемешанного 124 слоя; в частности, изменение биомассы, изменяющее прозрач- ность верхнего слоя, будет влиять на поглощение солнечной энергии и нагревание верхнего слоя. Наконец, данные сканеров цвета моря, помимо концентра- ции хлорофилла, позволяют рассчитать общее содержание взвешенного вещества и растворенного органического вещества (желтого вещества) в верхнем слое моря. В настоящее время мониторинг распределения взвешенного вещества и цветения вод осуществляется с помощью сканеров MODIS, установленных на спутниках Terra и Aqua. Ранее съем- ка велась такими сканерами цвета моря, как CZCS (Coastal Zone Color Scanner), который работал на ИСЗ Nimbus-7 с 1978-го по 1986 г., SeaWiFS (Sea-viewingWideField-of-ViewSensor) на спут- нике SeaStar, а также спектрорадиометрами MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) на ИСЗ Envisat, который за- вершил работу в 2012 г. Многие из спутниковых приборов высокого пространствен- ного разрешения (0,5–2,5 м) видимого диапазона спектра с успехом могут использоваться для морских исследований, в первую очередь в прибрежной зоне, где высокое пространствен- ное разрешение необходимо ввиду сильной пространственной из- менчивости процессов или их мелких масштабов, например мел- комасштабных вихрей и течений. Такие приборы, установленные на ИСЗ EROS-B, Ikonos и QuickBird, дают панхроматические изо- бражения морской поверхности или суши с пространственным разрешением менее 1 м. Данные с указанных приборов предос- тавляются за плату, размер которой зависит от вида съемки. 4.4. Применение данных дистанционного зондирования в гидрологии Данные дистанционного зондирования в гидрологии при- меняют для: дешифрирования болот, рек, озер; выявления речных и озерных водосборов; мониторинга половодий и паводков; осуществления мониторинга ледовой обстановки на ре- ках и озерах; контроля качества озерных вод; оценки испарения с земной поверхности и количества осадков; 125 расчета запаса воды в снеге, наблюдения за процессами снеготаяния в целях прогнозирования стока; моделирования гидрологических процессов и т. д. Космические снимки позволяют следить за развитием нега- тивных процессов в реках, озерах, водохранилищах, предсказы- вать возможность их возникновения и характер протекания, вы- являть их последствия и оценивать все виды ущерба. Мониторинг половодий и паводков. Климатические осо- бенности нашей страны обусловливают ежегодное прохождение половодий на реках, которое характеризуется выходом вод из меженного русла и подтоплением поймы. Уровень воды может достигать и превышать критические отметки, в результате чего в зоны подтопления попадают хозяйст- венные объекты, населенные пункты, расположенные в прибреж- ных зонах (рис. 4.13), что наносит существенный ущерб экономи- ке района, а также может причинить вред здоровью населения. Для предупреждения разливов и предотвращения чрезвы- чайных ситуаций необходим постоянный мониторинг рек в пе- риод половодья и паводков. Рис. 4.13. Разлив р. Обши в Тверской области в апреле 2011 г. (А), меженное русло (Б) [ИТЦ «СКАНЭКС», 2013] Определение зон затоплений при наводнениях и размеров затапливаемых площадей в поймах больших рек только на осно- ве наземной информации об уровнях и расходах воды часто не 126 представляется возможным. Космическая информация позволя- ет не только наблюдать развитие паводка или половодья, но и получать оперативный прогноз зон затопления, оценивать при- несенный ущерб, решать задачи выбора защитных дамб для сдерживания наводнения, выявлять участки, которым еще угро- жает затопление и т. д. Применение компьютерных алгоритмов обработки данных делает возможным автоматическое определе- ние границы воды и суши, площадей затопленных земель, а также выявление территорий, находящихся в опасности из-за поднимающегося уровня воды. При мониторинге половодий наиболее информативными являются материалы съемки радарных спутников (для обеспе- чения гарантированной всепогодной съемки среднего разреше- ния), аппаратов высокодетальной оптической съемки (для уг- лубленного анализа ситуации в районах затопления), ресурсных спутников с многоспектральными оптическими сканерами (для оценки состояния ледяного покрова на реках, ледовых перепра- вах и в потенциальных районах образования заторов). Особое место при мониторинге половодий занимает выявле- ние на реках участков с ледовыми заторами. На многих реках се- верного полушария, текущих с юга на север, во время весеннего вскрытия существует опасность образования скоплений льда в русле – ледяных заторов. Заторы льда уменьшают живое сечение реки и вызывают подъем уровня воды в месте скопления льда и на некотором участке выше него. Это часто приводит к наводнениям. При помощи космических снимков можно выявить места, благоприятные для образования заторов. Наиболее вероятно об- разование заторов льда на узких участках русел рек, в районах мостовых сооружений, поворотов русла в сочетании с сужением реки, на участках разветвления русла с малой скоростью тече- ния, впадения крупного притока, если этот приток вскрывается раньше основной реки, при наличии острова и т. д. Часто заторы возникают в тех местах, где осенью при замерзании реки имели место деформация льда и торошение. Снимки из космоса позволяют специалистам произвести оценку состояния рек и водоемов в период вскрытия ото льда, а также определить точное местонахождение и протяженность ледяных заторов. На снимке RADARSAT-1 (рис. 4.14) хорошо различим весенний затор льда, образовавшийся 21 апреля 2010 г. 127 на р. Северной Двине в районе н. п. Орлецы. На снимке видны основные части строения затора: основание затора из заклинен- ных ледяных полей, гряды торосов за основанием – «гребень» затора, подпираемый ядром массива сжатого битого льда. Рис. 4.14. Затор льда, образовавшийся 21 апреля 2010 г. на р. Северной Двине в районе н. п. Орлецы на снимке RADARSAT-1 [ИТЦ «СКАНЭКС», 2013] |