Дистанционные методы изучения океана

Космические исследования океана

Тема 1. Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

Основные проблемы и методы аэрокосмического изучения океана

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.

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.

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.

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.

Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами

Источник

Исследование нефтяного загрязнения вод океана дистанционными методами. Часть 1

Настоящий обзор подготовлен по материалам Всероссийских открытых конференций «Современные проблемы дистанционного исследования Земли из космоса» за последнее десятилетие, ежегодно проводимых Институтом космических исследований РАН.

Выбор для обзора данного направления исследований обусловлен тем, что с энергичным развитием в последней четверти прошлого столетия добычи нефти на шельфе и ее транспортировки к потребителям резко возросла опасность загрязнения поверхности океана нефтепродуктами. Появление этой проблемы совпало с развитием радиолокационного зондирования из космоса, начавшегося с запуска в 1978 г. спутника Seasat.

Радиолокационные снимки, отражающие шероховатость поверхности, а для водной поверхности — ее волнение, оказались надежным инструментом идентификации загрязнения водной поверхности благодаря гашению волнения нефтяной пленкой, образованию на ней так называемых сликов — участков гладкой водной поверхности среди взволнованных, которые хорошо разделяются на изображении. Это составляет принципиальную основу выявления районов загрязнения, но для изучения параметров загрязнения потребовалось развитие методов.

Методика изучения нефтяного загрязнения по радиолокационным снимкам: теория, подспутниковые и лабораторные эксперименты

На примере снимков Radarsat-2 проведен теоретический анализ радиолокационных снимков с точки зрения возможности зондирования нефтяных пленок. Выполнены оценки контрастов нефтяных сликов на морской поверхности по изображениям солнечного блика. Большое значение придается проведению подспутниковых экспериментов по радиолокационному зондированию пленочных сликов на морской поверхности, а также специальным лабораторным экспериментам.

В Институте прикладной физики (ИПФ) РАН проводятся лабораторные исследования физических характеристик пленок — коэффициентов поверхностного натяжения и упругости как для мономолекулярных пленок поверхностно активных веществ (ПАВ), так и для «толстых» нефтяных пленок.

Исследуется затухание волн на пленках нефтепродуктов. В ветро-волновом бассейне ИПФ РАН поведены эксперименты, в процессе которых на поверхности возбуждались короткие ветровые волны с длинами от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, а также поверхностные и внутренние волны с длинами порядка 1 метра, а на поверхность воды наносилась пленка поверхностно-активного вещества (ПАВ) с использованием вариаций его концентрации и проводилось радиолокационное зондирование.

Отбор проб пленок выполнен сеточным методом, а характеристики пленок исследовались далее методом параметрических волн. Эксперименты подтвердили, что модуль передаточной функции как в поле внутренних, так и в поле длинных поверхностных волн, увеличивается при увеличении концентрации пленки.

Мониторинг нефтяного загрязнения

Значительное внимание уделяется практическому использованию радиолокационных снимков для контроля за нефтяными загрязнениями.

Научным центром оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) предпринимались попытки разработки системы космического мониторинга нефтяных загрязнений морской поверхности в порядке участия в работах по проектам OSC SAR и EURIMET, совместно с рядом научных организаций стран-членов EKA, России и Украины, а затем также по международным проектам DEMOSCS и MONRUK.

В рамках этих проектов были начаты работы по созданию такой системы. Однако независимо от ее реализации спутниковые радиолокационные снимки используются для мониторинга нефтяного загрязнения, прежде всего в районах расположения платформ нефтедобычи и по трассам морского судоходства. С июня 2004 г. в рамках производственного экологического мониторинга нефтяного месторождения «Кравцовское» ООО «Лукойл-КМН» проводится спутниковый мониторинг нефтяного загрязнения в районе нефтедобывающей платформы D-6, в российском секторе Юго-Восточной Балтики и в прилегающих акваториях Польши и Литвы. Он основан на использовании радиолокационных снимков с трех спутников — Envisat, RADARSAT-1 и RADARSAT-2.

В Юго-Восточной Балтике за 2004-2010 гг. было идентифицировано около 1000 нефтяных пятен. От года к году наблюдается заметное уменьшение количества нефтяных пятен и общей площади нефтяного загрязнения в этой части моря. Анализ формы обнаруженных пятен, концентрация пятен вдоль судоходных трасс и их сопоставление с данными автоматической системы идентификации судов AIS по расположению судов в Балтийском море однозначно указывают на то, что основным источником загрязнения поверхности моря нефтепродуктами является судоходство.

Нефтяное загрязнение обнаруживается на утренних снимках чаще, чем на дневных и вечерних. По мнению исследователей, этот факт свидетельствует о том, что нелегальный сброс нефтепродуктов с судов происходит преимущественно по ночам, когда зафиксировать сливы оптическими приборами или видеосъемкой невозможно. Продолжение периода мониторинга (2004-2015) позволило выявить межгодовую изменчивость нефтяного загрязнения в этом районе.

ГК «СКАНЭКС» проводится мониторинг Черного и Каспийского морей с целью обнаружения пленочных загрязнений (нефть, нефтепродукты и т.п.) на их поверхности и определения возможных источников загрязнения. Мониторинг основан на космической радиолокационной съемке со спутников Envisat и RADARSAT-1, 2 и ведется с 2009 г.

В 2010-2011 гг. ГК «СКАНЭКС» выполнял подобный проект по заказу ООО «Лукойл-Нижневолжскнефть» в Северном Каспии для определения возможных источников загрязнения в период обустройства и эксплуатации производственного объекта на месторождении им. Ю. Корчагина по данным спутников Envisat и RADARSAT-1. Для обеспечения высокой частоты наблюдения за состоянием акваторий Каспийского и Черного морей в этих проектах используется технология мультиспутникового мониторинга ScanNet, а для интерактивного анализа и оперативного доведения снимков, данных и результатов заказчикам — веб-сервис GeoMixer ® (http://geomixer.ru).

Показано, что основным источником загрязнения поверхности Черного и Каспийского морей является судоходство и морской транспорт. При проведении плановых спутниковых съемок акватории Черного моря 23-25 июня и 5 августа 2011 г. специалисты ГК «СКАНЭКС» обнаружили беспрецедентно крупные пленочные загрязнения судового происхождения — совокупная площадь пятен составила 423 и 185 кв. км. Оптические съемки спутников Terra и Aqua подтвердили наличие обширных пленочных образований в данных районах. За период наблюдений с 2009 г. в Черном море обнаружено более 700 пятен пленочных загрязнений различного происхождения, в Каспийском море – около 200. Площади загрязнений варьировали от 0,1 до 70 кв. км. Наиболее загрязненные места в восточной части Черного моря — акватория в районе стыка границ российского, украинского и турецкого секторов, где нередко отмечается мойка танков; в Северном Каспии — Астраханский рейд и судовые трассы, следующие в порты Казахстана и Азербайджана.

С июля 2011 г. при поддержке Центра мониторинга Управления по ГОКУ по ГОЧС и ПБ Мурманской области ведется спутниковый мониторинг Кольского залива по снимкам со спутников RADARSAT-1 и RADARSAT-2. В 2011 г. (с июля по декабрь) проведено 46 сеансов спутниковой съемки. По результатам анализа РЛИ составлена интегральная карта, где четко выделяются две основные зоны загрязнений: в районе г. Североморска и на выходе из Кольского залива. В результате мониторинга установлено, что основной вклад в загрязнение Кольского залива вносят береговые предприятия и морской транспорт. Источниками основных загрязнений являются нефтебазы, предприятия Министерства обороны, транспорта и жилищно-коммунального хозяйства, находящиеся в пределах водоохраной зоны западного и восточного побережий Кольского залива, которые производят сброс производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод.

По материалам статьи «Исследование нефтяного загрязнения вод океана дистанционными методами» Валентины Кравцовой, ведущего научного сотрудника лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Полную версию статьи можно прочитать на сайте журнала «Земля из космоса».

Источник

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Мы разговариваем с одним из ведущих специалистов в России в области спутниковой океанологии Андреем Геннадьевичем Костяным, доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук, профессором Льежского Университета. Тема разговора – дистанционное зондирование океанов и морей.

Каковы методы изучения океанов и морей из космоса?

Спутниковые методы давно, широко и активно используются для мониторинга Мирового океана и в настоящее время играют важную роль в создаваемой Глобальной системе наблюдения за океаном. Глобальная система наблюдения в настоящее время включает около 10 тыс. наземных станций; 1 тыс. аэрологических станций; более 1 тыс. кораблей; 1200 дрейфующих буев; 200 заякоренных буев; 3 тыс. ныряющих буев «Арго» и примерно 3 тыс. коммерческих самолетов. В космическую группировку системы входит шесть геостационарных спутников, пять полярно-орбитальных спутников, пять оперативных спутников для исследования окружающей среды и еще около 50 различных спутников. Наиболее информативный метод решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса — использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Они оснащены приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой) и выведены на орбиты специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.

Различные активные и пассивные сенсоры, работающие в видимой, инфракрасной и микроволновой областях электромагнитного спектра, используются для измерения четырех основных параметров океанов и морей: цвета, температуры, высоты и шероховатости морской поверхности. Зная эти параметры, можно решать разнообразные задачи:

1. Цветовые сканеры определяют спектральные свойства радиации, восходящей с водной поверхности, которая несет информацию о различных оптических характеристиках поверхностного слоя океана – прозрачности вод, концентрации взвешенного вещества, содержании хлорофилла, цветении вод и т.д. Оптический диапазон также позволяет наблюдать скопления и кромку льда, айсберги и при определенных условиях – нефтяные загрязнения.
2. Инфракрасные и микроволновые сенсоры используются для измерения температуры поверхности океана/моря (ТПО/ТПМ). В отличие от инфракрасных радиометров и оптических сканеров пассивные микроволновые сенсоры могут измерять поле ТПО в условиях сплошной облачности, правда с меньшей точностью и пространственным разрешением. Инфракрасные радиометры позволяют также наблюдать скопления и кромку льда. Микроволновая радиометрия позволяет определять соленость поверхностных вод, однако пока еще с точностью, недостаточной для большинства задач в океанографии.
3. Активные микроволновые сенсоры (альтиметры, скаттерометры, радары с синтезированной апертурой) используются для определения высоты морской поверхности, уровня океанов и морей, высоты волн, скорости приводного ветра, льда и нефтяных загрязнений.

Для решения каких задач используются данные дистанционного зондирования?

Область применения данных дистанционного зондирования, получаемых с различных спутников, исследующих моря и океаны, широка и далеко не исчерпывается приведенным ниже списком конкретных задач:

• оперативное картографирование и изучение температурного режима морей и океанов;
• оперативное картографирование и изучение ареалов распространения взвешенного вещества;
• анализ концентрации и распределения фитопланктона в целях определения биопродуктивности моря и цветения вод;
• отслеживание ледовой и снеговой обстановки на суше и на море;
• мониторинг уровня и динамики вод различных частей морей и океанов;
• мониторинг уровня, стока и дельт крупных рек;
• охрана окружающей среды;
• мониторинг экологического состояния территорий и акваторий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых;
• контроль береговых зон, наблюдение за судами, выявление и отслеживание нефтяных загрязнений;
• текущий контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа и оперативный мониторинг их состояния;
• изучение облачного покрова, мониторинг опасных атмосферных явлений, скорости ветра и высоты волн;
• мониторинг природных и антропогенных катастроф, лесных пожаров и наводнений.

Каковы преимущества и ограничения спутниковых методов?

Спутниковые методы исследования океана обладают рядом преимуществ по сравнению с морскими или авиационными средствами наблюдений. Среди них — глобальное покрытие земного шара, мгновенная съемка обширных акваторий, съемка акваторий сопредельных государств, наивысшая оперативность в получении данных, возможность ежедневного повтора наблюдений, высокое пространственное разрешение (от 1 км до 60 см), получение комплексных и мультисенсорных данных, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, использование одних и тех же спутниковых данных для решения вспомогательных и дополнительных задач на суше (пожары, наводнения, опустынивание, водные ресурсы), существенно низкая стоимость спутникового мониторинга по сравнению с морскими наблюдениями. Эти методы не лишены и некоторых ограничений и недостатков, которые хорошо известны специалистам.

Какие спутники используются для изучения прибрежных районов океанов и морей?

Спутниковый мониторинг прибрежных районов океана и внутренних морей — важнейший метод контроля их экологического состояния. Он основан на приеме цифровых данных с радиометров, сканеров, спектрометров, радаров, альтиметров, скаттерометров, установленных на различных спутниках (NOAA, Terra, Aqua, TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2, GFO, Envisat, Radarsat-1, Radarsat-2, ERS-2, QuikSCAT, Landsat-1–7, IRS, Kompsat-2, EROS-A, IKONOS, SPOT-1–5, QuickBird, Formosat-2 и многих других) и позволяющих получать информацию о поле температуры поверхности моря, взвеси, концентрации хлорофилла, других оптических характеристиках водной поверхности и суши, нефтяном загрязнении, а также об аномалиях уровня моря, изменчивости течений и скорости ветра с высоким пространственным и временным разрешением.

Более подробную информацию о действующих в настоящее время и планируемых к запуску спутниках можно найти, например, на интернет-сайтах: американского космического агентства NASA, европейского космического агентства ESA, канадского космического агентства CSA, а также на сайтах ряда других зарубежных и отечественных организаций, например, IOCCG, SPUTNIK, SOVZOND и др.

В связи с аварией на нефтяной платформе в Мексиканском заливе в апреле 2010 года, расскажите о спутниковых методах мониторинга нефтяного загрязнения.

Радиолокаторы с синтезированной апертурой являются незаменимым средством для мониторинга нефтяных загрязнений океанов и морей. Анализ получаемой информации позволяет оперативно отслеживать экологическую обстановку акватории, подверженной воздействию стоков различной природы, оценивать площадь и степень ее загрязненности и исследовать физические процессы, определяющие перенос загрязнений по изучаемым акваториям, а иногда и определять виновников нефтяного загрязнения. Возможность обзора в короткие сроки огромных акваторий, а также возможность повторных наблюдений одного и того же региона с небольшим интервалом времени (до 12 часов) делают использование космической информации наиболее дешевым, оперативным и объективным методом экологического мониторинга морей и океанов.

Нефтяные пленки подавляют короткие гравитационно-капиллярные волны и локально видоизменяют шероховатость морской поверхности. Различия в интенсивности радиолокационного сигнала от поверхностей покрытых пленкой и чистых акваторий позволяют радиолокатору определять нефтяные пятна с высоким пространственным разрешением (25–75 м). Радиолокаторы с синтезированной апертурой имеют преимущества перед оптическими приборами, установленными на самолетах, поскольку дают данные по большой акватории, вне зависимости от облачности и освещенности (день/ночь). Этот тип приборов в настоящее время находится, например, на спутниках «Envisat» и «ERS-2» Европейского космического агентства и «Radarsat-1 и -2» Канадского космического агентства.

В марте 2002 г. был запущен спутник «Envisat» с 10 приборами оперативных систем для мониторинга океанов, льда, суши и атмосферы. Спутник имеет 35-суточный цикл повторяемости пролетов по своим трассам, но благодаря широкой полосе захвата многих приборов он может наблюдать любую точку на поверхности Земли с периодичностью от нескольких часов до нескольких суток. Радиолокатор ASAR (Advanced Synthetic-Aperture Radar) используется для мониторинга нефтяных пятен и льда на поверхности моря, измерений различных океанских явлений (течений, фронтов, вихрей, внутренних волн), определения местоположения судов, поиска нефтегазовых месторождений и других целей. Активными пользователями этой спутниковой информации являются береговая охрана, национальные агентства по охране окружающей среды, нефтяные, судоходные, рыболовные и страховые компании, а также научные организации.

В Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН имеется уникальный разносторонний опыт проведения комплексного спутникового мониторинга Балтийского, Чёрного, Азовского, Каспийского, Аральского, Средиземного, Баренцева и Карского морей, а также Северного Ледовитого, Атлантического, Тихого и Индийского океанов для решения различных научных задач. В частности, специалисты ИОРАН в сотрудничестве с учеными Института космических исследований РАН, Геофизического центра РАН, а также Морского гидрофизического института (г. Севастополь) разработали эффективный комплексный (мультисенсорный и междисциплинарный) подход к оперативному спутниковому мониторингу нефтяного загрязнения морей России.

Впервые такой подход был реализован на практике для района юго-восточной Балтики, где в 2004– 2005 гг. по контракту с ООО «Лукойл-Калининградморнефть» нами была фактически создана служба мониторинга нефтяного загрязнения, которая работала в оперативном режиме круглосуточно в течение 18 месяцев. Впоследствии аналогичный комплексный подход был применен к Азово-Черноморскому бассейну, Каспийскому морю и Финскому заливу. Результаты, полученные нами в 2004–2011 гг., показали эффективность комплексного спутникового мониторинга экологического состояния Балтийского, Чёрного, Азовского и Каспийского морей. Разработанная технология оперативного комплексного спутникового мониторинга и приобретенный опыт могут быть легко перенесены на другие моря Российской Федерации и районы Мирового океана.

Нефтяное загрязнение юго-восточной части Балтийского моря 25 августа 2005 г.

Чем еще загрязнены моря?

Помимо нефтяного загрязнения присутствует и загрязнение взвешенными веществами, которые поступают в море в результате производственной деятельности на акватории моря и на берегу – прокладка трубопроводов (например, «Норд Стрим» в Балтийском море), кабелей, дампинг, взрывы на дне и т.д. Большое количество взвешенного вещества поступает со стоком рек и в результате выноса вод из заливов. Сильное волнение на мелководье также увеличивает концентрацию взвеси в воде. Все это приводит к вторичному загрязнению, увеличению мутности, снижению фотоактивной радиации, биопродуктивности, изменению структуры популяций, гибели организмов, обитающих на морском дне.

Концентрация взвешенного вещества в восточной части Финского залива по данным MERIS-Envisat 12 июля 2010 г. Шлейфы взмученных вод из прибрежной зоны Финляндии пересекают трассу газопровода «Норд Стрим» (черная линия).

Эвтрофикация (чрезмерное увеличение содержания биогенных элементов) поверхностных вод морей, объясняемая главным образом излишком питательных веществ (фосфора и азота), — важная проблема, которая с каждым годом становится все острее. Следствием эвтрофикации вод является бурное цветение сине-зеленых водорослей (многие из них токсичны), которое с каждым годом охватывает все большие площади Балтийского моря и стало появляться в Черном и Каспийском морях.

Аномальное цветение вод в северо-западной части Черного моря по данным MERIS-Envisat 16 июля 2010 г.

Концентрация хлорофилла, показатель поглощения желтого вещества и показатель рассеяния назад взвешенными частицами – параметры, определяемые со спутников, дают возможность исследовать пространственную и временную изменчивость трех важнейших компонентов содержащегося в морской воде вещества — фитопланктона, взвеси и окрашенного органического вещества, обнаруживать расположение источников этих веществ, исследовать их распространение и трансформацию от этих источников.

В настоящее время мониторинг распределения взвешенного вещества и цветения вод осуществляется с помощью сканеров MODIS, установленных на спутниках «Terra» и «Aqua», а также MERIS, установленного на «Envisat». С 1999 г. «Terra» стал флагманом спутниковой системы по мониторингу Земли (EOS), предназначенный для получения комплексных данных об атмосфере (свойства аэрозолей и облаков, профили температуры и водяного пара), суше (изменения в природных ландшафтах, вегетации, снежном покрове и температуре суши) и океане (температура поверхности, содержание взвеси и хлорофилла). Многофункциональные 36-канальные спектрорадиометры MODIS позволяют получать информацию об оптических свойствах подстилающей поверхности с пространственным разрешением 250, 500 и 1000 м в надире, а также тепловые изображения в ИК-диапазоне с разрешением 1 км. Полоса обзора шириной 2330 км позволяет видеть любую точку на Земле с периодичностью 1–2 суток. Комбинация данных о поле температуры, цвете моря и других оптических свойствах морской поверхности позволяет получать информацию о распределении взвеси, цветении вод, температуре поверхности моря, а также о полях течений с высоким разрешением путем анимации последовательности спутниковых изображений.

Многие из спутниковых приборов высокого пространственного разрешения (0,5–2,5 м) видимого диапазона спектра с успехом могут использоваться для морских исследований, в первую очередь в прибрежной зоне, где высокое пространственное разрешение необходимо из-за сильной пространственной изменчивости процессов или их мелких масштабов, например мелкомасштабных вихрей и течений. Такие приборы, установленные на ИСЗ «EROS-B», «Ikonos» и «QuickBird», дают панхроматические изображения морской поверхности или суши с пространственным разрешением лучше 1 м. Данные представленных приборов предоставляются за плату, размер которой зависит от вида съемки.

Большой канал Венеции. Изображение со спутника «Ikonos».

Что Вы можете сказать о мониторинге температуры и динамики вод океана?

Мониторинг мезомасштабной структуры и динамики вод может осуществляться с помощью, например, радиометров AVHRR, установленных на нескольких спутниках серии «NOAA-KLM» или вышеупомянутых спектрорадиометров MODIS. Спутники серии «NOAA» (Национальное управление США по изучению океана и атмосферы; NOAA, США) являются квази-полярными спутниками. Они оснащены различными инструментами, в частности радиометром AVHRR (усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения) с пятью спектральными каналами с пространственным разрешением 1 км и разрешением по температуре 0,1оС. Радиометр используется для широкого диапазона задач по мониторингу состояния окружающей среды. С его помощью ученые анализируют и прогнозируют погоду; исследуют и прогнозируют климат; изучают поля температуры поверхности океанов и морей, а также температуру и влажность атмосферы; занимаются мониторингом динамики вод океана, извержений вулканов, лесных пожаров, пылевых бурь и уровня вегетации. Дважды в день каждый спутник покрывает любую точку на поверхности земного шара.

Температура поверхности Черного моря 7 августа 2011 г. по данным спутника «METOP-2».

Какие еще характеристики океана можно исследовать из космоса?

Мониторинг уровня океанов и морей, высоты ветровых волн и скорости ветра осуществляется с помощью альтиметров, установленных на спутниках «TOPEX/Poseidon», «Jason-1 и -2» и других. Эти системы являются совместным проектом NASA и CNES (Национальный центр космических исследований Франции). Совместная программа США и Франции мониторинга топографии поверхности океана разрабатывалась для решения исключительно океанографических задач: изучение мезомасштабной и крупномасштабной циркуляции океанов и морей, исследование синоптической и климатической изменчивостей уровня океанов и морей и других целей. В июне 2008 г. по этой программе на орбиту был запущен очередной спутник, «Jason-2», главная цель которого — поддержание непрерывности мониторинга уровня Мирового океана, начатого спутником «TOPEX/Poseidon» и «Jason-1». Через каждые 10 суток спутник повторяет измерения по заданным трекам с пространственным разрешением 7,5 км. Точность работы альтиметра составляет около 2 см, расчета высоты волн – 0,4 м или 10%, а скорости ветра – 1,5 м/с.

Изменение уровня Каспийского моря с 1993 по 2009 год по данным спутников «TOPEX/Poseidon», «Jason-1» и «Jason-2».

Мониторинг приводного ветра на акватории океанов и морей также осуществляется, например, с помощью скаттерометра SeaWind, установленного на спутнике «QuikSCAT». Принцип скаттерометрии основан на том, что зондирующий радиоимпульс, направленный под углом к морской поверхности, рассеивается из-за ее шероховатости, обусловленной ветровыми волнами. Таким образом, часть отраженного сигнала, принимаемая радаром, хорошо коррелирует со скоростью приводного ветра. По величине коэффициента обратного рассеяния определяется скорость ветра, а по ее зависимости от азимутального угла (угол между направлением движения и положением оси антенны) – направление ветра. Для скаттерометра SeaWind пространственное разрешение составляет 25 км. Скорость ветра в диапазоне 3–20 м/с рассчитывается с точностью 2 м/с и 10% для скоростей выше 20 м/с, а его направление – с точностью 20° для интервала 3–20 м/с. Данные скаттерометрии «QuikSCAT» позволяют анализировать поле приводного ветра, например, на акватории Балтийского моря дважды в сутки.

Существуют ли архивы спутниковых данных и можно ли ими пользоваться?

В последние годы с появлением доступных банков глобальной регулярной спутниковой информации и данных реанализа о поле температуры поверхности моря, уровне моря, концентрации хлорофилла, ледовом покрытии, атмосферном давлении, ветре, осадках, влажности, потоках тепла и других гидрометеорологических характеристиках (PODAAC JPL, UT/CSR, NCEP, GSFC NASA, DAAC GSFC), появилась возможность изучения не только сезонной, но и межгодовой изменчивости состояния акваторий морей и океанов, а также суши. Это особенно важно для изучения изменчивости регионального и глобального климата.

Профессиональные базы данных требуют специальной подготовки пользователей спутниковой информации в области специализированного программного обеспечения, знания и умения работать с различными форматами данных. Однако существует множество архивов спутниковой информации и изображений Земли, которые могут быть полезны и для неподготовленных специалистов. Адреса таких спутниковых архивов можно скачать здесь.

Каковы перспективы изучения океана из космоса?

Планируемые наблюдения океанов и морей методами дистанционного зондирования и развитие спутниковых систем мониторинга чрезвычайно широки. США, Канада, Европа, Индия, Япония и другие страны ежегодно запускают спутники, предназначенные для сбора разнообразной информации о суше, океане и атмосфере. Спутники, которые завершили срок своей эксплуатации, заменяются на новые, с комплектами более совершенных приборов. Точность и разрешающая способность этих приборов постоянно растет, расширяется и набор параметров, характеризующих состояние окружающей среды, которые могут быть измерены из космоса. США и Европейское космическое агентство открывают для свободного доступа все больше спутниковой информации, платная спутниковая информация постепенно переводится в разряд бесплатной или цены на нее существенно снижаются. Все большее количество специалистов вовлекается в разработку и осуществление новых международных программ по дистанционному зондированию Земли.

Спутник «Sentinel-3», который будет запущен Европейским космическим агентством в 2013, предназначен для исследования уровня океана, температуры и цвета океана и суши в рамках программы «Глобальный мониторинг окружающей среды и безопасности» (Global Monitoring for Environment and Security (GMES)).

Несмотря на бурный рост потребления спутниковой информации, наиболее эффективная система мониторинга Земли должна базироваться на комплексном использовании спутниковых, авиационных и наземных (морских) видов измерений, а также численного моделирования различных процессов, происходящих в окружающей среде. Поэтому совершенствование методов дистанционного зондирования Земли должно сопровождаться развитием и расширением наземных (морских) средств наблюдений и совершенствованием численных моделей.

Источник