Спутниковые методы исследования океана

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Дальневосточный федеральный университет"

ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Кафедра океанологии и гидрометеорологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Спутниковые методы исследования океана

Вакульчук Анастасия Игоревна

г. Владивосток 2013

Содержание

Введение

Глава 1. Методы изучения океанов и морей из космоса

1.1 Необходимость дистанционного зондирования

1.2 Спутники и датчики

Глава 2. Характеристики океана исследуемые из космоса

2.1 Температура и соленость

2.2 Морские течения

2.3 Уровень моря

2.4 Состояние поверхности моря, волнение

2.5 Цвет воды, биопродуктивность

2.6 Морские льды

2.7 Рельеф дна

Глава 3. Архивы спутниковых данных

Глава 4. Перспективы изучения океана из космоса

Заключение

Список литературы

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.

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.[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.

Рис. 6 Мониторинг приводного ветра скаттерометра SeaWind, установленного на спутнике "QuikSCAT" 2сентября 2010 [18]

2.5 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.

Рис 8. SeaWiFS вид на цветение фитопланктона на Мальвинских островах (фактический цвет воды)[15]

Рис.9 SeaWiFS вид на цветение фитопланктона на Мальвинских островах (концентрация хлорофилла) [15]

Основное применение данных о цвете океана - рыболовство. Данные о цвете океана совместно с данными о температуре поверхностного слоя воды (SST) используются для направления рыбаков и рыбацких судов в акватории, где может быть обнаружена рыба. Это основано на принципе цепи питания - изобилие фитопланктона приводит к изобилию зоопланктона, питающегося им, что в свою очередь приводит к изобилию рыбы, питающейся зоопланктоном. Так присутствие большого количества фитопланктона, измеряемое через изменения в цвете океана, выступает индикатором потенциального присутствия рыбы.[2]

Впервые данные о цвете океана были получены при помощи сканера цвета моря CZCS (Coastal Zone Color Scanner), который был установлен на спутнике Nimbus-7. Съёмка проводилась с 1978 по 1986 гг., сканер CZCS поставлял регулярные данные о цвете океана в 6 каналах видимой и ближней инфракрасной частях спектра с разрешением около 1 км

2.6 Морские льды

Сравнительно недавно единственным способом получения данных о ледовой обстановке были визуальные наблюдения с самолётов, кораблей и экспедиционных судов. Помимо ряда преимуществ, визуальным наблюдениям свойственны недостаточная точность определения характеристик и привязки к месту наблюдений, субъективность количественных оценок, малая обзорность, высокая стоимость, ограниченность во времени и пространстве. Поэтому с недавнего времени традиционные методы визуальных оценок перестали удовлетворять запросы науки и практики, и для авиаразведок стали применяться космические съёмки.

Уже с середины 1960-х годов по снимкам со спутников (ESSAT) в автоматическом режиме стали создавать фотокарты морских льдов для северного полушария, сочленяя снимки с отдельных витков, переводя их в картографическую проекцию, выполняя фильтрацию облачности на основе выбора минимальной 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.

Различные по своим параметрам льды имеют различные радиофизические характеристики, динамический диапазон рассеянных сигналов от морских льдов может составлять 20-40 дБ. Основными характеристиками морских льдов, которые необходимы для решения практических задач, являются их сплочённость, положение кромки льдов (дрейфующих или припайных), дрейф (направление и скорость), возраст (толщина льдов) и ряд других второстепенных параметров (торосистость, наслоенность, разрушенность и т.п.). Ряд из них, такие как сплочённость, положение кромки и дрейф льдов достаточно легко определить, используя данные съёмок в видимом или радио- диапазоне, в то время как определение возрастных характеристик ледяного покрова является наиболее сложной задачей, успешно решаемой на основе регистрации собственного микроволнового излучения льдов, то есть при пассивной микроволновой радиометрической съёмке, которую, однако, пока удаётся выполнить лишь в очень грубым разрешением (6 км).

Рис. 10 Месячное изменение концентрации морских льдов в Антарктике за 1996 г. [8]

Другой возможный метод решения этой задачи - космическая радиолокация. Для некоторых видов льдов существует однозначная зависимость яркости изображения/радиолокационных контрастов и их возраста. Современные спутники позволяют получать изображения высокого и среднего разрешения в видимом, тепловом инфракрасном и радио- диапазонах, по которым могут быть оперативно составлены достаточно точные карты ледового покрова для большинства полярных районов. В настоящее время для оперативных наблюдений за ледовым покровом арктических морей применяют спектрорадиометры высокого и среднего разрешения (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).[13]

2.7 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.

Например, лазерный альтиметр, установленный на спутнике Европейского космического агентства (ESA) CryoSat-2, может измерять гравитационное поле на поверхности вод океана. Крупные объекты океанического дна, например, хребты или вулканы, создают более сильное гравитационное поле, то есть, по данным гравитации можно с большой точностью рассчитать глубины и рельеф океана. Подобные измерения уже проводились с других спутников, например, с европейского GOCE, однако шаг его измерений составлял сотни километров, тогда как точность CryoSat-2 - около 5-10 километров

Рис. 11 Схема работы альтиметра, установленный на спутнике [7]

Глава 3. Архивы спутниковых данных

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.

Глава 4. 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.

океан космос зондирование спутник

Рис.12 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)). [6]

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.[10]

Заключение

Проанализировав данную курсовую работу, можно сделать вывод, что спутниковые методы наблюдения за морями и океанами играют важную роль в современных научных исследованиях. Они значительно упрощают сбор наблюдений за изменениями, происходящими в океане и атмосфере. Можно заметить, что спутниковое мониторинг очень перспективен, с каждым годом полученные данные все точнее и точнее, что дает положительный результат в изучении океана.

В ходе работы было выяснено, что при получении даны со спутников, их объем очень велик, и главная проблема в том, что не хватает специалистов которые могли бы эти данные обработать, что в свою очередь ведет к тому, что можно не заметить важные изменения происходящие в океане.

Список литературы

1. Большаков А.А. Космические методы в океанологии. ? М.: Знание, 1982

2.Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. -- М.: Издательство А и Б, 1997

3.Океанографическая энциклопедия. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

4.http://asc-csa.gc.ca

5.http://aquarius.nasa.gov/

6.http://expo2012korea.ru

7.http://esa.int

8.http://geogr.msu

9.http://www.global-climate-change.ru

10.http://ioccg.org/

11.http://iki.rssi.ru/

12.http://lib.rus.ec/

13.http://natuerlich.ru

14.http://nsidc.org/

15.http://oceanographers.ru

16.http://sputnik.infospace.ru/welcomer.htm

17.http://sovzond.ru

18.http://www.scp.byu.edu

Размещено на Allbest.ru