Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Устьевые зоны крупнейших рек мира (Амазонка, Конго, Ла-Плата, Нил): физико-географическое описание и анализ по спутниковым данным

Введение

устье река спутниковый гидрологический

Стремительное развитие космических информационных технологий в последние годы способствовало тому, что телекоммуникация, навигация, съемка Земли из космоса перестали быть привилегией узкого круга исследователей. Они широко шагнули в повседневную жизнь. Сегодня мы являемся свидетелями того, как данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) помогают решать все больше практических задач, становясь современным общедоступным информационным инструментом как в научных исследованиях, так и в повседневной жизни.

Использование спутников в научно-исследовательской сфере открывает перед нами огромные возможности в изучении многих физико-географических процессов, прогнозировании и моделировании природных явлений.

Целью данной работы является:

Ознакомительное изучение устьев рек, физико-географических процессов, происходящих в них. Обзор общей информации о спутниковых технологиях по литературным данным и Internet источникам. Изучение возможностей использования спутниковых данных в научно-исследовательской деятельности.

Задачи:

Ознакомиться с процессами, происходящими в устьевых зонах рек на примере крупнейших рек мира, таких как: Амазонка, Ла-Плата, Нил, Конго. Рассмотреть возможность использования спутниковых данных в исследовании этих процессов.

Актуальность:

В настоящее время изучение устьевых зон рек по-прежнему сохраняет свою актуальность. В научном плане устьевые зоны интересны многообразием физических и гидролого-морфологических процессов, происходящих в них, а также их влияние на окружающую среду. Весьма немалые возможности отрывают спутники перед наукой, поскольку позволяют охватывать не только огромный спектр данных, в том числе новых, но и обеспечивают нас последовательными, долгосрочными наблюдениями 24 часа в сутки.

В качестве источников информации были использованы интернет-ресурсы, в т.ч. данные о спутниках, спутниковые снимки устьевых областей, а также печатные научные издания: учебные издания и периодические научные издания. Курсовая работа состоит из трёх глав, введения, заключения, списка использованной литературы, в том числе одна таблица и 18 иллюстраций.

1. Устья рек

1.1 Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек

Устьевая область (устье реки) - это особый географический объект, охватывающий район впадения реки в приёмный водоём (океан, море, озеро) и имеющий специфический природный комплекс, структура и формирование которого регулируются устьевыми процессами: динамическим взаимодействием и смешением вод реки и приемного водоема, отложением и переотложением речных и частично морских наносов [6].

Особую специфичность устью придает наличие дельты. Ее ландшафт весьма своеобразен. Это низменные периодически затопляемые земли, сложная и изменчивая сеть водотоков (рукавов, проток) и водоемов (озер, лиманов, лагун, болот), заросли влаголюбивой растительности, богатая фауна [6]. Устья рек обладают большими природными богатствами (водными, земельными, биологическими) и активно используются в народном хозяйстве (главные отрасли - водный транспорт, орошаемое земледелие, рыболовство).

Устье реки - это зона взаимодействия реки и приемного водоема, подверженная влиянию как речных, так и морских факторов. Из речных факторов главнейшие - это сток воды и наносов; к числу важнейших морских факторов можно отнести колебания уровня воды (приливные, сгонно-нагонные), соленость морской воды, волнение.

В устьях рек взаимодействуют две существенно различающиеся по своим физическим, химическим и биологическим свойствам водные массы - речная и морская (озерная).

Река оказывает воздействие на приемный водоем, прежде всего, опресняя его прибрежные воды. Здесь формируется зона смешения речных и морских вод, где соленость воды изменяется от свойственной речным водам (обычно менее 0,5 ‰) до характерной для моря (10-40 ‰ в разных морях). [4] Часть зоны смешения, где наблюдаются наибольшие горизонтальные и вертикальные градиенты солености воды, называется фронтальной зоной. Находящуюся в ее пределах наклонную поверхность, где упомянутые градиенты максимальны, называют фронтальным разделом, а ее проекцию на любую горизонтальную плоскость, в том числе поверхность воды, - гидрофронтом [7].

Положение внешней (мористой) части фронтального раздела в половодье определяет морскую границу устьевой области (МГУО). За пределами этой границы находится предустьвое пространство моря, где опресняющее воздействие реки значительно слабее.

Помимо опреснения река создает в прибрежной части моря зону мутных вод и зону стоковых течений. При отложении речных наносов в прибрежной зоне моря формируются устьевые бары, косы и, в конечном счете, образуются устьевые конуса выноса и дельты [7].

Приемный водоем оказывает на реку, прежде всего, влияние через колебания уровня воды морского происхождения. Речную границу устьевой области (РГУО), или вершину устьевой области (ВУО), определяют по предельной дальности распространения вверх по реке в межень приливных или нагонных колебаний уровня воды. Кроме того, под воздействием приемного водоема в реке могут возникать обратные течения и в реку проникать осолоненные воды (Оба эти явления наблюдаются, как правило, при приливах и нагонах); морское волнение разрушает речные отложения. [6]

Вершина дельты (ВД) - это место деления реки на крупные дельтовые рукава, переносящие речную воду непосредственно в приемный водоем. Если приливы и нагоны не распространяются выше вершины дельты (как и в крупных дельтах, например, Лены, Терека, Кубани), то именно вершину дельты принимают за вершину устьевой области. Если же приливы или нагоны распространяются выше вершины дельты (как в устьях рек с небольшими дельтами, например, Дона и Днепра), то между вершиной устьевой области и вершиной дельты выделяют придельтовый участок реки [7].

Чем больше сток воды, тем сильнее воздействие реки на режим её устьевой области, тем относительно слабее воздействие морских факторов; чем больше сток наносов, тем активнее идёт в устье реки формирование дельты.

Наоборот, чем больше приливы, нагоны и активнее морское волнение, тем сильнее влияние моря на устьевую область и больше разрушающее воздействие морских факторов на дельту [6].

Устьевую область реки подразделяют на две части - устьевой участок реки (включающий дельту, если она есть), где преобладает речной гидрологический режим, но активно влияет море, и устьевое взморье, где преобладает морской гидрологический режим, но активно влияет река (рис. 1).

Верхняя граница устьевого участка реки совпадает с речной границей устьевой области, а морская граница устьевого взморья - с морской границей всей устьевой области. Устьевой участок реки и устьевое взморье разделяются морским краем дельты (МКД), а при отсутствии дельты - вершиной лимана, лагуны, эстуария [6].



Рис. 1. Схемы устьевых областей рек разного типа и их районирования [6].

Устьевые области: I - простая; II - эстуарная; III - эстуарно-дельтовая; IV - дельтовая; РГУО (ВУО) - речная граница (вершина) устьевой области; МГУО - морская граница устьевой области; ВД - вершина дельты; МКД - морской край дельты; 1 - подводные русла на устьевом взморье; 2 - блокирующие косы

Устьевой участок реки может быть однорукавным (бездельтовым) и мало- или многорукавным (дельтовым). Устьевое взморье может быть полузакрытым (например, залив, лиман, эстуарий) (рис. 2) и открытым, а также приглубым и отмелым.



Рис. 2. Различные виды полузакрытого устьевого взморья (эстуарного типа) [6]:

а - морской залив; б - губа; в-приливный эстуарий; г - лиман; д - лагуна; е - фиорд; ж - риа. Берега: 1 - низменные аккумулятивные; 2 - горные

По характеру устьевого участка реки и устьевого взморья все устьевые области рек подразделяются на несколько типов (см. рис. 1, табл. 1).

Таблица 1. Типизация устьевых областей рек и их частей по морфологическим признакам [6]

Объект и его части	Типы
	I	II	III	IV
Устьевая область реки в целом	Простая*	Эстуарная*	Эстуарно-дельтовая*	Дельтовая
Устьевой участок реки	Однорукавный, бездельтовый	Однорукавный, бездельтовый	С дельтой выполнения	С дельтой выдвижения
Устьевое взморье	Открытое	Полузакрытое*	Полузакрытое*	Открытое

* Устьевая область в целом и полузакрытое устьевое взморье могут быть как с блокирующей косой, так и без неё.

Типизацию устьев рек на рис. 2 можно трансформировать в схемы эволюции устьев рек. По мере заполнения (выполнения) речными наносами устьевого взморья изменяется и тип устья реки. Схем таких изменений может быть только две (рис. 3): I>IV (преобразование простой устьевой области в дельтовую) и II>III>IV (заполнение речными наносами полузакрытого устьевого взморья с формированием дельты выполнения, а затем выход реки на открытое устьевое взморье и формирование дельты выдвижения) [7].

Рис. 3. Схема эволюции устьевых областей рек и дельтообразования при стабильном уровне приемного водоема. [7]

Устьевые области: I - простая; II - эстуарная; III - эстуарно-дельтовая (с дельтой выполнения); IV - дельтовая (с дельтой выдвижения); 1 - морской берег без блокирующей косы; 2 - то же, с блокирующей косой

Таким образом, в своем развитии устьевая область реки может пройти четыре стадии: I - бездельтовую (простая устьевая область); II - бездельтовую с полузакрытым устьевым взморьем (эстуарная устьевая область); III - формирования дельты выполнения полузакрытого устьевого взморья, IV - формирования дельты выдвижения на открытом устьевом взморье.

Все современные устья рек находятся в одной из упомянутых стадий и, соответственно, относятся к одному из приведенных выше типов. Переход от одной стадии к другой (так же, как и от одного типа к другому) определяется, прежде всего, интенсивностью выполнения речными наносами морских заливов или затопленных речных долин, образовавшихся 5-6 тыс. лет тому назад после прекращения послеледникового значительного повышения уровня Мирового океана. Интенсивность же выполнения наносами этих заливов зависит, в свою очередь, от величины стока наносов реки, емкости залива (лимана, лагуны, эстуария) и противодействующих формированию дельты влияния морских приливов, нагонов, волнения, эвстатического повышения уровня моря, просадки дельтовых отложений. [8]

Многие устья малых рек (например, на побережье Черного и Каспийского морей) относятся к I типу. Устья таких рек, как Южный Бун, Мезень, Кулой, Темза, Делавэр, Св. Лаврентия, ещё находятся во II стадии и относятся к эстуарному типу (II). Эти устья отличаются малым стоком наносов реки, а также активным воздействием моря. Устья рек Днестра, Днепра, Печоры, Оби, Енисея находятся в III стадии (формирования дельты выполнения заливов) и относятся соответственно к III типу. Наконец, устья таких рек, как Миссисипи, Лена, Дунай, Хуанхэ, По, уже прошли предыдущие стадии и находятся в IV стадии (формирования дельты выдвижения) и относятся соответственно к типу IV. Все эти устья характеризуются относительно повышенным стоком наносов реки и слабым воздействием морских факторов. Некоторые устья находятся в состоянии перехода от III к IV стадии, например устье Янцзы. [8]

Устья рек подразделяются также на приливные и неприливные (при этом приливными считают устья рек, впадающих в море с величиной прилива более 0,3 м), а дельты - на мало- и многорукавные, клювовидные и лопастные.

1.2 Особенности гидрологического режима устьевого участка реки

Особенности речного режима на устьевом участке реке проявляются прежде всего в довольно быстром распластывании волн половодья и паводков. Если на верхней границе устьевой области величина колебаний уровня воды приблизительно такая же, как и в целом в низовье реки, т.е. может достигать и даже превышать 10 м, то вблизи моря величина колебаний уровня, обусловленных речным стоком, обычно не превышает 0,3-0,4 м [6].

Как уже указывалось выше, важной чертой устьевого участка реки является наличие дельты. Самые крупные дельты находятся в устьях Ганга и Брахмапутры (105 600 км²), Амазонки (100 000 км²), Хуанхэ (36 300 км²), Инда (29 500 км²), Меконга (28 500 км²), Миссисипи (26 200 км²).

Самые крупные дельты в России у Лены (32 000 км²), Волги (11 000 км²), Терека (8 900 км²), Яны (6 600 км²) [8].

Дельты формируются двумя путями: медленным (эволюционным) и быстрым (скачкообразным). Второй путь характерен для рек, имеющих большую мутность воды (более 1 кг/м³), и проявляется в периодических прорывах потока либо непосредственно в море (как в устьях Миссисипи, Сулака, Куры), либо в пониженные места старой дельты (как в устьях Терека, Амударьи, Или, Хуанхэ) [8].

В этом случае процессы могут носить катастрофический характер и приводить к сильным наводнениям. Так, в дельте Хуанхэ в прошлом нередко происходили такие разрушительные наводнения. После прорыва защитных валов в 1642 г. погибло 200 тыс. человек. В 1889 г., после аналогичного прорыва было затоплено 22 тыс. км² земель и погибло более 1 млн человек [8].

В периоды повышенного стока наносов дельта выдвигается в море, и ее площадь увеличивается. Увеличение длины рукавов дельты при их выдвижении в море или озеро получило название устьевого удлинения. Если сток наносов реки достаточно большой, то величина устьевого удлинения может быть очень велика [6].

В недалеком прошлом были зафиксированы величины выдвижения дельты Амударьи в Аральское море с интенсивностью до 4 км/год, а дельты Хуанхэ в Желтое море со скоростью до 10 км/год [8].

С выходом дельты на большие морские глубины ее выдвижение замедляется. Замедлению выдвижения дельты в море или даже ее отступанию способствуют: уменьшение стока наносов реки (в том числе антропогенное), повышение уровня приемного водоема (моря или озера), просадка грунта, вызванная уплотнением и обезвоживанием дельтовых отложений, активизация волнения. В связи с сокращением стока наносов многих рек во второй половине XX в. выдвижение в море многих дельт мира сменилось размывом их морского края и деградацией. Повышение уровня Каспийского моря в 1978-1995 гг. на 2,35 м привело к частичному затоплению дельт Терека, Сулака и Куры и усилению их размыва [8].

Если в устье реки имеется дельта, то ее важной особенностью является периодическое затопление водами половодья и распределение и перераспределение стока по ее рукавам.

Особенности проявления морского режима на устьевом участке реки заключаются в распространении на некоторое расстояние волн приливов и нагонов. По мере распространения вверх по реке они постепенно затухают. Предельная дальность распространения приливов и нагонов тем больше, чем больше их величина в море и меньше обусловленный речным стоком уклон водной поверхности в реке.

Приливные колебания уровня наибольших величин достигают именно в устьях рек: до 18 м (зал. Фанди), 13 м (Пенжинская губа), 8-10 м (эстуарий Мезени), 5-7 м (устье Северна), 5-6 м (дельта Ганга и Брахмапутры), 5 м (устье Амазонки). Причина того, что в устьях рек приливы (и штормовые нагоны тоже) больше, чем в открытом море, - уменьшение глубин и сужение русла, способствующие концентрации энергии приливной волны [8].

Приливы и нагоны на больших реках (а чем больше река, тем меньше уклон ее водной поверхности) могут распространяться на огромные расстояния. Так, приливы проникают на Северной Двине на 135 км, Печоре - 190 км, Меконге - 350 км, Миссисипи - 400 км, Сенегале - 450 км, Янцзы - 600 км, на Амазонке - на 1400 км. Дальность распространения нагонов в устье Дона 150 км, Индигирки - 200 км, Колымы - 280 км, Оби - 350 км, Енисея - 850 км [8].

Штормовые нагоны нередко вызывают в устьях рек катастрофические наводнения. Такие наводнения бывали, например, в дельте Невы, когда уровень воды поднимался на 4,2 м (1824 г.) и 3,8 м (1924 г.), в дельте Волги (2,5 м, 1952 г.), в устьях Рейна (4,0 м, 1953 г.) и Эльбы (5,7 м, 1962 г.), в дельте Кубани (3,5 м, 1969 г.). Вызванное тайфуном наводнение в дельте Ганга в ноябре 1970 г. (уровень воды поднялся на 9,1 м) привело к гибели 200 тыс. человек и более 4,7 млн человек оставило без крова [8]. Бороться с такими наводнениями чрезвычайно трудно. В многорукавной и низменной дельте обваловать и защитить от затопления все острова невозможно. Единственный выход - это строительство защитных дамб (с системой регулирующих шлюзов, водопропускных отверстий, «противонагонных барьеров и ворот») либо по периферии дельты (как в устье Рейна и Мааса), либо поперек эстуария или морского залива (как в устье Темзы или в Невской губе).

Важной чертой проявления морского режима на устьевом участке служит проникновение в реку осолоненных вод. Возможны три типа смешения речных и морских вод на устьевом участке реки: полное перемешивание, частичное перемешивание, стратифицированное состояние («клин соленых вод»). Чем больше приливы или нагоны и меньше сток воды реки, тем сильнее перемешивание речных и морских вод. Морские воды проникают в устье реки тем дальше, чем больше глубина русла и плотность (соленость) морской воды и меньше расход речных вод. Этот вывод подтверждает известный факт, что после углубления речного русла в устье реки для судоходства дальность проникновения морских вод в реку резко увеличивается (это явление отмечено в устьях Дуная, Миссисипи, Яны и др.). В межень морские воды под влиянием приливов или нагонов могут распространяться, например, вверх по Северной Двине на 45 км, Амуру - на 50 км, Яне - на 60 км, Эльбе - на 70 км, по Миссисипи - на 240 км, Сенегалу - на 300 км [8].

Схема, иллюстрирующая сопряжение уровней воды в реке и море при одновременном изменении стока реки (половодье - межень) и приливных явлений в море (прилив - отлив), приведена на рис. 4. Из этой схемы видно, что в межень приливные колебания распространяются на большие расстояния, чем в половодье. Кроме того, зона обратных течений на устьевом участке реки во время прилива короче, чем дальность распространения приливных колебаний уровня (L_обр.т< L_пр.). Наибольшая дальность распространения в реку осолоненных морских вод еще короче (L_s< L_обр.т). При этом на наибольшее расстояние морские воды проникают в реку в межень и во время прилива. В половодье морская вода «выталкивается» из реки в море [6].

1.3 Особенности гидрологического режима устьевого взморья

В целом для устьевого взморья характерен морской режим, свойственный прибрежной зоне моря. Здесь хорошо выражены ветровые и приливные течения, волновые процессы.

Наиболее сильное влияние реки на устьевое взморье сказывается в зоне опреснения, где с удалением от берега увеличивается соленость воды и уменьшается скорость стоковых течений. Как видно из рис. 4, б, фронтальная зона с сильным опреснением выдвигается в море на наибольшее расстояние в половодье.

На устьевом взморье на очень коротком участке вода из пресной трансформируется в солоноватую или соленую; при этом очень резко изменяется и химический состав воды: из гидрокарбонатного в класса и кальциевой группы она переходит в хлоридный класс и натриевую группу. Смена речного типа солевого состава вод на морской обычно происходит при довольно малой солености - всего 2-4 ‰.

Рис. 4. Схема приливной устьевой области реки [6]:

а - продольные профили водной поверхности в половодье (1), межень (2), прилив (3), отлив (4); б - продольные профили осредненной за приливный цикл солености воды в половодье (5), при средних расходах воды (6), в межень (7); в-продольные профили солености воды в межень в среднем за приливный цикл (7), при смене течений в отлив (8), в прилив (9); I - устьевая область реки; II - устьевой участок реки; III - устьевое взморье. Участки: L_пр - приливный, L_обр.т - с обратными течениями, L_s - с осолоненными водами. РГОУ (ВУО) - речная граница (вершина) устьевой области; МГУО - морская граница устьевой области; H_м - средний уровень моря; S_м - средняя соленость вод моря

Эту границу можно назвать гидрохимическим барьером между рекой и морем. Смена же пресноводной на солоноватоводную биоту происходит при солености воды 6-9 ‰. Эту границу можно называть гидробиологическим барьером между рекой и морем [6].

По мере затухания скоростей течения речной поток на взморье постепенно теряет способность перемещать наносы и они отлагаются, причем ближе к выходу рукава в море отлагаются более крупные наносы, а дальше - все более и более мелкие. Сказанное объясняет, во-первых, физическую причину отложения наносов в устье реки, а во-вторых, естественную сортировку речных наносов при впадении речного потока в водоем.

Отложение речных наносов в устье водотока ведет к формированию весьма характерной отмели - устьевого бара, являющегося начальным элементом, из которого формируется дельта. Зона отложения речных наносов постепенно смещается в сторону моря. Величина ежегодного слоя отложения речных наносов на морском склоне устьевого бара может на приглубом взморье достигать 10-15 м [6].

2. Применение спутниковых технологий

2.1 История становления спутниковых технологий

Начало систематическим наблюдениям за атмосферой и океаном из космоса было положено в I960 г., после запуска в США специализированного метеорологического спутника серии «Тайрос» («Тiros»). [9] В течение последующих пяти лет в космос было выведено еще девять спутников этой серии. Информация, получаемая с искусственных спутников Земли, первоначально использовалась для прогнозирования движения ураганов в тропической зоне Атлантического и Тихого океанов и определения теплового баланса Земли. [9]

С 1965 г. американские метеорологические искусственные спутники Земли (ИСЗ) поступают в распоряжение вновь созданной организации ЭССА (ESSA), подчиненной Министерству торговли США. В нее впервые в качестве соисполнителей входят океанологические институты, и она начинает осуществлять развернутую программу исследований океана. С 1966 по 1969 гг. ЭССА произвела запуск девяти спутников серии «ЭССА».

Дальнейшее развитие спутниковых исследований в США тесно связано с образованной в 1970 г. новой организации НОАА (NOAA), которая наряду с метеорологическими проблемами ставит и решает задачи по изучению океана. В ее состав, помимо Гидрометеорологической службы США, Центра по использованию ИСЗ и служб лабораторных исследований, объединяющих работы НИИ атмосферы, земли и океана, входят комитеты по промышленному и любительскому рыболовству, наблюдению за состоянием озер и прибрежных районов океана, подготовке кадров и содействию научной работе в вузах. Она координирует работу центров технологии геологических разработок и морского приборостроения, участвует в создании и эксплуатации океанографических буев. Разработку новых систем ракетоносителей и научной аппаратуры для HCS также осуществляет НАСА (NASA). Так с 1970 г. стали доступны инфракрасные снимки океана со спутников NOAA с пространственным и термическим разрешением, достаточным для качественного оценивания горизонтального переноса тепла в приповерхностном слое океана и визуализации динамических структур, проявляющихся в поле температуры поверхности воды (разрешение 1.1 км, точность до десятых градуса). [9]

Первые радиолокационные изображения океана из космоса были получены радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) SAR во время полета американского спутника SEAsat в 1978 г., они открыли новые методы для изучения волнений на поверхности океана, скорости и направления ветра [19].

В СССР исследования океана из космоса были начаты в 1966 г., после запуска первого советского метеорологического спутника «Космос-122». В следующем, 1967 г., были запущены три спутника этой серии, а в 1968 г. - еще два. С марта 1969 г. в космос регулярно выводились ИСЗ «Метеор». Всего к середине 1973 г. было запущено 15 спутников этой серии.

В феврале 1973 г. был запущен ИСЗ «Нимбуc-5», на борту которого находился целый комплекс микроволновой измерительной аппаратуры, предназначенной для детального исследования атмосферы и подстилающей поверхности. В его состав входили микроволновый спектрометр НЭМС, работающий на пяти каналах (три для измерения содержания кислорода в атмосфере и два для определения влагосодержания) [9].

Исследования океана сегодня ведут специальные океанологические спутники Seasat, Topex-Poseidon, ERS, SeaStar, Jason, Океан. Главное достижение космических методов в океанологии состоит в том, что спутники позволяют перейти от наблюдений в отдельных точках (ранее обеспечивавшихся буйковыми или судовыми методами) к общему глобальному охвату. Однако при этом регистрируются характеристики лишь поверхностного слоя воды - скинслоя - и большое значение имеет использование косвенных показателей (например распределения температур как индикаторов различных водных масс и их динамики); поэтому и необходимо изучение связей исследуемых явлений [2].

Основными участниками работ в области дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) из космоса сегодня являются традиционные некоммерческие (национальные и международные) и полукоммерческие организации США, многих стран Европы, Индии, России, Японии, Канады, Китая и др. Их усилия направлены на поддержание работоспособности существующих космических систем ДЗЗ (в том числе путем вывода на орбиты новых спутников), расширение возможностей наземных комплексов, средств приема и обработки данных, расширение услуг (путем увеличения количества и качества продуктов, получаемых на основе данных ДЗЗ, а также совершенствования средств их распространения и доставки потребителям), а также на проведение космических экспериментов с применением перспективных технологий. [2]

Космические системы нового поколения можно разделить на системы, выполняющие глобальные съемки для исследования и мониторинга Земли в целом и локальные - для удовлетворения практических запросов.

Примером первой может служить разрабатываемая по инициативе NASA (National Aeronautics and Space Administraition) - Управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства) в международной кооперации космическая система глобального мониторинга EOS (Earth Observing System - система наблюдения Земли), которая будет функционировать в первые десятилетия 21 века.

Космическая система EOS должна обеспечить науки о Земле глобальной многосенсорной информацией о всех сторонах жизни планеты - от химического состава атмосферы до движений волн цунами.

В совместном владении гидрометеорологической службы США NOAA и геологической USGS находится обширный архив со спутников Landsat более чем 10-летней давности, новые распространяет частная компания Space Imaging, владеющая также снимками коммерческого спутника Ikonos, а также индийского IRS.

В Европе архивирование и распространение информации с европейских, американских и японских спутников выполняет фирма Eurimage, а снимки со спутника SPOT французская фирма Spotimage.

Национальные архивы снимков созданы в Японии, Индии, Китае, Корее, Австралии. Материалы некоторых из них перекрываются, доступ к ним возможен благодаря сети Internet.

В России - инженерно технологический центр Сканекс, Совинформспутник, Дата+, являются дистрибьюторами зарубежных снимков со спутников MODIS Landsat [2].

Основными разработчиками и производителями КА для наблюдения и дистанционного зондирования Земли являются крупные организации и фирмы мировой космической индустрии: ВИИИЭМ, НПО Машиностроения, НПО «Планета», РНИИКП, ЦСКБ, КБ «Арсенал» (Россия); НПО «Южное» (Украина); Lockheed Martin Astrospace, Hughes Aircraft Co., Orbital Siences Corp. (OSC), Space Systems/Loral (SSL), TRW Space, Eart`hWatch Inc., Space Imaging Corp., Orbimage (США); SSTL (Великобритания); Arianespace, Aerospatiale (Франция); Matra Marconi Space (MMS, Франция + Великобритания); Daimler-Benz Aerospace/Dornier Satellite System (DASA/DSS, Германия); Spar Aerospace (Канада); Mitsubishi Electric, NEC Corp, (Япония); ISRO (Индия) и др.

2.2 Возможности в использовании спутников

Стремительное развитие космических информационных технологий в последние годы способствовало тому, что телекоммуникация, навигация, съемка Земли из космоса перестали быть привилегией узкого круга избранных потребителей, и широко шагнули в повседневную жизнь. Сегодня мы являемся свидетелями того, как данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) помогают решать все больше практических задач, становясь современным общедоступным информационным инструментом (рис. 5).

Рис. 5. Использование спутников в различных сферах [10]

Увеличивается число спутников, тематические задачи становятся все более разнообразными, изменяется качество и возможности сервисов: навигация (спутниковые сети GPS, ГЛОНАСС), спутники связи (OSCAR - Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio, и др.), дистанционное зондирование Земли (мониторинг лесных пожаров, ледовой обстановки, половодий и паводков, снежного и растительного покровов, метеорологических условий - спутники серии MODIS и NOAA).

В мировой практике сохраняется ситуация, при которой обеспечивается свободный доступ к данным, передаваемым непосредственно потребителям от гражданских метеорологических спутников по радиоканалам (при этом потребителями используется лицензионное приемное оборудование), и закрытый или лицензируемый доступ к данным, передаваемым по радиоканалам непосредственно потребителям от спутников ИПРЗ.

Весьма немалые возможности отрывают спутники перед наукой, поскольку позволяют охватывать не только огромный спектр данных, но и позволяют нам обеспечить последовательные, долгосрочные наблюдения 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. При помощи спутников можно быстро отслеживать образование и перемещение бурь, тропических штормов в Атлантическом и Тихом океанах. Данные со спутников используются для измерения температуры океана, которая является ключевым индикатором климатических изменений, для мониторинга коралловых рифов, вредоносного цветения водорослей, пожаров и вулканического пепла. Мониторинг Земли из космоса помогает нам более полно понять процессы и явления, происходящие на Земле.

Информация, поступающая сегодня с метеорологических и природоресурсных спутниковых систем ДЗЗ, используется для решения следующих основных задач:

определение метеорологических хаpактеpистик (темпеpатуpа подстилающей поверхности, вертикальные профили темпеpатуpы, интегральные хаpактеpистики влажности, классификация облачности и т.д.)

контроль динамики атмосферных фронтов, штормов и ураганов

выявление и классификация крупномасштабных загрязнений поверхности моря и суши

обнаружение крупных или постоянных выбросов промышленных пpедпpиятий

контроль состояния и оценка продуктивности растительности;

обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах и степях;

контроль за перемещением границ пустынь и зон засух;

прогноз паводка, обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

контроль динамики снежных и ледовых покровов;

обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

контроль состояния водных поверхностей;

анализ различных геологических структур.

Главная ценность спутниковых наблюдений в научных исследованиях состоит:

- в возможности высоко-оперативного получения глобальных данных;

- в возможности получения данных по труднодоступным районам, расположенным в любом месте Земли и поверхности океана;

- обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов или явлений;

- получение их количественных и качественных биогеофизических характеристик;

- геопространственная информация.

Аэрокосмические методы - это методы исследования атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путем дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли электромагнитного излучения.

Исследователь должен знать информационные свойства используемых снимков и владеть специальными способами и приемами эффективного извлечения из снимков требуемой информации.

Обработка, конечно же, идет с широким применением компьютерных технологий.

Существует множество компьютерных программ обработки изображений. Начиная от обычных графических программ Adobe Photoshop, Corel до профессиональных - ERDAS Imagine, ENVI, SeaDAS.

Компьютерные технологии позволяют решить следующие задачи:

- визуализацию цифровых снимков;

- геометрические и яркостные преобразования снимков, включая их коррекцию;

- конструирование новых производных изображений по первичным снимкам;

- определение количественных характеристик объектов;

- компьютерное дешифрирование снимков (классификация);

Позволяют использовать дополнительную информацию, например пространственная экстраполяция результатов локальных полевых наблюдений.

Итоговым звеном схемы аэрокосмических географических исследований является изготовление по снимкам карт. Результат комплексных географических исследований - серия взаимно согласованных тематических карт. Они отражают пространственные закономерности, качественные и количественные характеристики изучаемой территории.

3. Изучение устьев рек с использованием спутниковых технологий

3.1 Изучение устьев рек: исследователи и научные работы

Устья рек привлекают к себе внимание исследователей, поскольку это интересные в научном плане и важные в хозяйственном отношении объекты. Плодородие почв и увлажнённость определяют высокую ценность земель значительной части территории многих долин, являющихся районами интенсивного земледелия (например, долины Нила, Хуанхэ, Ганга). Ведётся рыбный промысел, судоходство. В научном плане устьевые зоны интересны многообразием физических и гидролого-морфологических процессов, происходящих в них, а также их влияние на окружающую среду.

Изучением устьев рек занимались многие учёные: Мискевич И.В. (Океанолог, эколог, Член ученого Совета РГО. Доктор географических наук), Самойлов И.В. (автор первой в мировой литературе монографии по устьям рек), Аполлов Б.А., Михайлов В.Н., Дитмар К. (натуралист, описание эстуария р. Большой), Горин С.Л. (Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии), Полонский Ф.В (руководитель лаборатории устьев рек ГОИН).

По результатам экспедиций и исследований написано множество работ: монографии - «Речные дельты» (В.Н. Михайлов и др., 1986), «Гидрология устьев рек Терека и Сулака» (Н.И. Алексеевский, В.Н. Михайлов и др., 1993), «Гидрологические процессы в устьях рек» (В.Н. Михайлов, 1997), «Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее» (В.Н. Михайлов, 1997).

С 80-х годов коллектив специалистов по устьям рек стал уделять больше внимания разработке и усовершенствованию методов расчета изменений гидролого-морфологических процессов в устьевых областях рек под влиянием естественных и антропогенных факторов: были даны теоретические обоснования и разработан автоматизированный метод построения и оценки точности связей расходов и уровней воды в устьях рек по гидрометрическим данным; предложены новые схемы расчета расходов и уровней воды в дельтах рек гидравлико-морфометрическим методом; разработана математическая модель для прогнозирования развития системы дельтовых водотоков; разработана методика расчета проникновения морских вод в устья рек.

Обобщающим трудом устьевых исследований явилась монография «Гидролого-морфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза)» (В.Ф. Полонский, Ю.В. Лупачев, Н.А. Скриптунов, 1992 г.), где устьевая область реки впервые рассматривается комплексно, с точки зрения системного подхода к сложному физико-географическому объекту.

Значителен вклад устьевиков ГОИН в эти работы: С.С. Байдина, Г.Н. Ган, М.Н. Зотина, М.Н. Костяницына, Ю.В. Лупачева. В.Н. Михайлова, М.М. Рогова, Т.М. Макаровой, Я.Д. Никифорова, В.Ф. Полонского, Н.А. Родионова, А.И. Симонова, И.В. Самойлова, Н.А. Скриптунова, а также многих других ученых и специалистов.

В настоящее время, изучением устьев рек занимаются многие институты океанографии как в России (МГУ им. М.В. Ломоносова, ГОИН, ИО РАН и др.), так и за рубежом.

3.2 Физико-географическое описание устьев Амазонки, Ла-Платы, Нила, Конго

Как было упомянуто выше, существуют различные типы устьевых зон рек: морской залив, губа, приливный эстуарий, дельта, лиман, лагуна, фиорд, риа (рис. 2).



Рис.6. Эстуарий реки Енисей [21]

Эстуарий - однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря. Образование эстуария происходит, если приносимые рекой наносы удаляются морскими течениями или приливом, и прилегающая к устью часть моря имеет значительные глубины; в этих случаях отложение наносов не происходит даже при большом их выносе на устьевом участке. Один из самых больших эстуариев в Европе, Жиронда, имеет длину 72 км. Устья в виде эстуария имеют такие реки как Енисей, Темза, Амур [4]. (см. рис. 6)

Противоположностью эстуария является дельта (см. рис. 9) - сложенная речными наносами низменность в низовьях реки, прорезанная разветвленной сетью рукавов и проток. Дельта образуется в результате взаимодействия речного стока, стока наносов, морского волнения, приливов и сгонно-нагонных течений. Дельты рек, впадающих в относительно спокойные водоемы достигают гигантских размеров: Амазонка (100 тыс. км?), Лены (28,5 тыс. км?), Волги (19 тыс. км?), Нила (24 тыс. км?), Ганга (105,6 тыс. км?) [4].

Лиман (см. рис. 7) - устье реки в виде мелководного залива. Лиман образуется при затоплении морем равнинных рек и может быть открытым (губа - далеко вдающийся в сушу морской залив или бухта) или отделенным от моря узкой полосой суши - пересыпью (Днепровский лиман, Одесские лиманы, Обская губа, Невская губа, Анапские лиманы).

Рис.7. Днепровский лиман [21]

Обычно вода лимана имеет промежуточную солёность между водой моря и пресной водой реки, но при малом притоке пресной воды он может сильно засоляться вследствие испарения (ссылка).

Лагуна - мелкий водоём, отделённый от моря узкой полосой намытого песка (пересыпью) или коралловыми рифами. Типичный пример лагунного города - Венеция. Первоначально «лагуной» называлась только Венецианская лагуна, потом этот термин стал применяться к мелким заливам по всему миру. Если в лагуну впадает крупная река, то вода в лагуне может быть почти пресной, а её уровень может превышать уровень моря. Таковы, например, Куршский и Калининградский заливы. Благодаря своей защищённости лагуны часто являются уникальными биотопами. Они служат приютом для водных птиц, рыб и зверей. Экологически важные лагуны находятся под защитой международных ведомств [4].



Рис.8. Норвежские фьорды (Согне-Фьорд) [21]

Фьорд (см. рис. 8) - узкий, извилистый и глубоко врезавшийся в сушу морской залив со скалистыми берегами. Длина фьорда в несколько (чаще всего в десятки) раз превосходит ширину. Берега фьорда в большинстве случаев образованы скалами высотой до 1000 метров.

Чаще всего фьорды имеют тектоническое происхождение и возникли при резком и внезапном изменении направления движения тектонических плит со встречного на противоположное. В результате этого, на краях плит, уже сжатых предварительным встречным движением, образуются многочисленные трещины и разломы, которые заполняются морской водой. В этом случае фьорд может иметь значительную глубину, до 800 метров. В ряде случаев возникновение фьордов является результатом обработки ледниками (в эпоху четвертичного оледенения) речных долин и тектонических впадин с последующим затоплением их водой. В мире наиболее известны четыре фьордовых района, расположенные на западных побережьях Норвегии, Чили, Южного острова Новой Зеландии и Северной Америки от залива Пьюджет-Саунд (шт. Вашингтон) до Аляски. Фьорды также имеются на берегах Шотландии, Исландии, Гренландии, п-ова Лабрадор, Аравийского полуострова, штата Мэн (США), России и на некоторых арктических островах.

Риа или риас - приустьевая часть речной долины, затопленная морем, часто представляющая собой длинный конусообразный залив. Риа формируется в местах, где уровень моря поднимается выше уровня суши. Риа могут являться эстуариями. Часто они также несколько похожи на скандинавские фьорды, но отличающиеся в первую очередь сравнительно малой величиной - вдаются в материк не более чем на 50 км. Также их ширина и глубина имеют тенденцию увеличиваться постепенно, по мере удаления от места впадения реки. Наиболее характерные риа встречаются на северо-западном побережье Испании, в Галисии.

Рассмотрим более подробно устья Нила, Амазонки, Конго, и, в частности, Ла-Платы.

Нил

Рис.9. Дельта Нила.[12]

Дельта Нила (рис. 9) одна из самых больших речных дельт в мире. Она образовалась на месте морской бухты, постепенно заполнившейся речными наносами, и имеет форму цветка лотоса. По площади (24 тыс. км²) дельта Нила почти равна Крымскому полуострову (26 тыс. км²). Протяженность дельты вдоль побережья Средиземного моря 240 км. Протяженность дельты с юга, где Нил распадается на рукава, на север составляет 160-170 км. Известная своим плодородием дельта с древнейших времен имела неоценимое значение для Египта [4].

Амазонка

Рис.10. Дельта Амазонки.[18]

Протекая большей частью по Амазонской низменности в субширотном направлении близ экватора, Амазонка впадает в Атлантический океан на северо-восточном побережье Южной Африки (рис. 10). У Амазонки самая большая в мире внутренняя дельта (св. 100 тыс. км²), которая начинается примерно в 350 км от Атлантического океана. Ежечасно Амазонка приносит в океан около 773 млрд. л воды, содержащей значительное количество глины, или и солей, собранных её могучим потоком. Часть осадков формирует дельту реки, но большая часть попадает в море и образует глубоководный конус выноса. Но, несмотря на древний возраст, она не выдвинулась в океан за пределы коренных берегов. Причиной этого является, очевидно, деятельность приливов и отливов, влияние течений, а также опускание береговой линии. Хотя река и выносит в океан огромные массы обломочного материала, процессу нарастания дельты препятствуют все перечисленные явления. Подобная ситуация характерна и для некоторых северных российских рек - Амура, Оби, Таза, Пура и других [4].

Конго



Рис.11. Устье Конго.[21]

Устье Конго (рис. 11), расположенное в западной части Африки, было открыто в 1482 (по др. данным, в 1484) португальским мореплавателем Д. Каном. В зависимости от времени года, расход воды в устье может изменяться от 23 000 м?/сек до 75 000 м?/сек, средний расход составляет около 42 000 м?/сек. Впадает в Атлантический океан широким (11 км) и глубоким руслом. Глубины на этом участке составляют 230 м и более, что делает Конго наиболее глубокой рекой в мире [4].

Ла-Плата

Ла-Плата (исп. Rio de la Plata - «Серебряная река») (рис. 12) - эстуарий, образованный при слиянии рек Уругвай и Парана. Это воронкообразное углубление на юго-восточном побережье Южной Америки, растянувшееся на 290 км от слияния рек до Атлантического океана.

В месте слияния рек ширина Ла-Платы составляет 48 км, река течет на юго-восток, расширяясь до 220 км при впадении в Атлантический океан, таким образом, это самая широкая река в мире. Площадь бассейна 3,2 млн км². Расход воды 22 000 м³/с.

Площадь водосбора основных притоков Ла-Платы (реки Уругвай, Парана и основной приток Параны - река Парагвай) занимает около 1/5 ото всей территории Южной Америки, включая районы на юго-востоке Боливии, южную и центральную Бразилию, целиком Парагвай, бомльшую часть Уругвая и север Аргентины.

Рис.12. Ла-Плата

По оценкам, каждый год в эстуарий наносится 57 миллионов м? речного ила. Морской путь из Атлантики в Буэнос-Айрес постоянно прочищается с помощью дноуглубительных работ [4].

3.3 Анализ устьевых зон рек по спутниковым данным

В исследованиях вод суши космические снимки используются главным образом для гидрологического моделирования, изучения формирования половодья, прогноза стока решения вопросов снежной гидрологии, наблюдений за катастрофическими наводнениями и борьбы с ними, изучения глобального водообмена.

Возможные области применения спутниковых методов в морской геодезии принято разделять на две условные группы, исходя из требований, предъявляемых к уровню точности. К первой группе, для которой требования к уровню точности ограничиваются несколькими метрами, могут быть отнесены такие сферы применения, как:

- промерные работы на акваториях гаваней, в прибрежных водах и на внутренних водоемах;

- картографирование морского дна в территориальных зонах экономического развития или в научных целях;

- определение мест нахождения тех или иных подводных датчиков и соответствующих технических средств, используемых при морских изысканиях полезных ископаемых;

- выполнение гидрографических работ;

- проведение точных гравиметрических и сейсмических съемок.

Ко второй группе, охватывающей области применения спутниковых технологий в морской геодезии, которые требуют обеспечения наиболее высокого уровня точности, могут быть отнесены:

- работы, связанные с обслуживанием береговых инженерных сооружений;

- контроль за положением расположенных на морской поверхности платформ, используемых при проведении работ, связанных с добычей нефти, газа и других полезных ископаемых;

- управление драгами, дноочистительные работы на акваториях гаваней, в устьях рек и на других видах водоемов;

- изучение геодинамических процессов на акваториях морей и океанов.

Используя данные ДДЗ, можно:

- исследовать форму, размеры, развитие устьев рек, бассейн водосбора реки;

- прогнозировать паводки обнаруживать и оценивать масштабы зон крупных наводнений;

- следить за динамикой снежных и ледовых покровов;

- в устьях рек взаимодействуют две существенно различающиеся по своим физическим, химическим и биологическим свойствам водные массы - речная и морская. На спутниковых снимках хорошо прослеживаются процессы динамического взаимодействия и смешением вод реки и приемного водоема, выделяются зона смешения речных и морских вод (по цвету воды, замутненности, по распространению взвешенного материала речного стока)

- наблюдать отложение и переотложение речных и частично морских наносов.

- выявлять крупномасштабные загрязнения поверхности реки.

Анализ эстуария Ла-Платы по спутниковым снимкам:

Снимки видимого диапазона

Рис. 13. Снимок MODIS. 24 апреля 2000 г. [12]

Слева представлен снимок MODIS (April 24, 2000) (рис.). Он создан комбинированием каналов с разрешением 250 и 500 м, которые дают изображение в видимом диапазоне. На снимке можно увидеть различия в цвете вод впадающих рек.

Воды рек имеют ярко выраженный от желтого до коричневого цвета из-за осадков, переносимых рекой, они смешиваются с серо-голубыми водами Атлантики, образуют водовороты и мутные формации. Сток наносов и вод рек высок, чем можно объяснить высокое количество осадочного материала на данном снимке.

На этом снимке заметно различаются области суши по цвету пикселей. На севере зеленые пиксели оказывают лесные районы и характерные группы прямоугольных форм с/х полей. В нижней левой части изображения менее зеленые пиксели показывают распаханные районы, где существуют скотоводство и фермерство.

На снимке в видимом диапазоне Aqua MODIS за 26 января 2002 года можно отследить проникновение вод Ла-Платы в океан.

Здесь совпали две особенности в результате которых прослеживается течение - струя реки, вплоть до впадения его в Атлантику. Это тихий, безветренный спокойный день и траектория пролета спутника MODIS проходила под прямым углом к рассматриваемому району. Хорошо видна кофейная, черная полоска на фоне рыжеватых и серо-голубых окружающих его вод.

Картосхемы, построенные на основе снимков спектрального диапазона

Справа приведён пример картосхемы, построенной по снимку полученному сканером SeaWiFS. Изображение показывает распространение высоких концентраций хлорофилла в Фолклендском течении. Используются псевдо цвета, высокое содержание показано красным, оранжевым и желтым. По ним хорошо просматриваются различные динамические структуры, связанные с этим течением. Ярко выявляется по этому снимку и высокая концентрация осадков в прибрежной зоне, при выходе вод Ла-Платы в океан. Здесь можно рассматривать зоны смешения разнородных вод.

Ниже приведены картосхемы SST (Sea Surface Temperature - Поверхностное распределение температур), построенные по данным радиометра MODIS спутника Terra. Снимки за 2002 год 28 апреля и 2009 год 20 ноября. На них прослеживается распределение температуры в разные сезоны года, оно показывает происходящие в этот момент типичный прогрев вод.

Заключение

Весьма немалые возможности отрывают спутники перед наукой, поскольку позволяют охватывать не только огромный спектр данных, но и позволяют нам обеспечить последовательные, долгосрочные наблюдения 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. При помощи спутников можно быстро отслеживать образование и перемещение бурь, тропических штормов в Атлантическом и Тихом океанах.

Данные, получаемые с разных спутников, таких как спутники серий MODIS (Terra, Aqua), метеорологические спутники NOAA (оценка температуры, предупреждение чрезвычайных ситуаций - пожаров, цунами, штормов и др.). С помощью спутников также можно оценивать характер приливов и отливов, оперативно и часто получать данные об изменениях уровня моря.

В настоящее время изучение устьевых зон рек по-прежнему сохраняет свою актуальность, но классических методов исследования, на мой взгляд, не достаточно. Поэтому, для создания более полной картины происходящего, необходимо привлечение новых методов изучения. Одним из таких методов является мониторинг земной поверхности, с помощью искусственных спутников, и анализ полученных данных. Нельзя сказать, что классические методы исследования географических объектов, в конкретном случае устьев рек, устарели. Гидрологические станции, научно-исследовательские экспедиции, система буёв - эти классические методы несомненно хороши в использовании, поскольку совершенствовались длительное время. Но в последнее время значительно возросли возможности, предоставляемые информационными технологиями, и которых у нас не было раньше. Использование спутниковых технологий как в изучении всей Земли в целом, так и конкретных географических комплексов, позволяет сделать более полную оценку объекта, благодаря его глобальности, доступности и оперативности.