Спутниковые методы исследования океана

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(РГГМУ)

 

Кафедра прикладной

экологии

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

«Экологический мониторинг»

 

На тему: «Спутниковые методы исследования океана»

 

 

 

Выполнил:   Мельцев А.К.

Гр. ЭК-46

Руководитель:    Алексеев Д.К.

доцент

 

 

 

г. Санкт-Петербург 2015

Содержание

 

Введение 3

Глава 1 Методы изучения океанов и морей из космоса 4

1.1 Необходимость дистанционного зондирования 5

1.2 Спутники и датчики 7

Глава 2 Характеристики океана, исследуемые из космоса 10

2.1 Температура и соленость 10

2.2 Морские течения 11

2.3 Уровень моря 11

2.4 Состояние поверхности моря, волнение 13

2.5 Цвет воды, биопродуктивность 14

2.6 Морские льды 16

2.7 Рельеф дна 18

Глава 3 Архивы спутниковых данных и перспективы изучения океана из космоса 20

3.1 Архивы спутниковых данных 20

3.2 Перспективы изучения океана из космоса 20

Заключение 22

Список литературы 23

 

 

 

Введение

 

Спутниковая система мониторинга открывает новые возможности непрерывного наблюдения за изменениями, происходящими в океане и атмосфере, анализ которых позволяет обнаружить и прогнозировать опасные явления и тенденции в региональных и глобальных масштабах с целью их предотвращения или, смягчения возможных последствий.

Спутниковые наблюдения очень эффективны и экономичны. Они позволяют быстро и практично получить данные контролируемой акватории с пространственным разрешением от нескольких метров до нескольких километров, дают возможность получения данные регулярно в течении многих лет. Данные спутниковых измерений дают возможность оценить своевременно происходящие изменения и выявить их причину.

Цель работы: рассмотреть существенные возможности и перспективы использования спутниковых методов для исследования и мониторинга морей и океанов, их недостатки, и проблемы оптимального использования данных спутниковых наблюдений.

 

 

Глава 1 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.[9] 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.[1]

 

Рис. 1 Спутниковый мир [9]

 

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.

. 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.[6]

 

1.1 Необходимость дистанционного зондирования

 

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.

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.[8]

 

1.2 Спутники и датчики

 

Рис. 2 Спутники NOAA-18 и Envisat[4]

 

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 (CoastalZone 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) спутниковTopex/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.

Так же важен 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.[2]

 

 

Глава 2 Характеристики океана, исследуемые из космоса

 

2.1 Температура и соленость

 

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, а для измерения солёности в настоящее время разрабатывается аппаратура на базе микроволновых радиометров.

 

 

 

2.2 Морские течения

 

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.

 

2.3 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.[9]

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[17] 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.[6]

 

 

Рис. 5 Изменение уровня Каспийского моря с 1993 по 2009 год по данным спутников "TOPEX/Poseidon", "Jason-1" и "Jason-2".[6]

 

2.4 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.

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.

Мониторинг приводного ветра на акватории океанов и морей, 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.