Аерокосмічні методи досліджень у метеорології і кліматології: Застосування супутникових спостережень для досліджень атмосфери

При вивченні цієї теми ми маємо розглянути загальні представлення і моделі атмосфери, ключові змінні і відповідні інформативні ознаки атмосферних процесів за матеріалами ДЗЗ, перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях атмосфери, перелік основних супутникових місій і типів приладів для дослідження атмосфери, дослідження характеру атмосферної циркуляції, атмосферних фронтів, систем хмарності, радіаційного та теплового балансу Землі, спостереження за динамікою атмосферних явищ, вивчення системних кліматичних явищ, фізичних і хімічних властивостей атмосфери, складу атмосфери (компонентного складу, зокрема вивчення озонового шару, парникових газів, контролю специфічних забруднювачів), небезпечних явищ і процесів та змін клімату. Можливості застосування супутникових спостережень для вивчення парникового ефекту та визначення атмосферних концентрацій парникових газів і аерозолів. 

Атмосфера планети - (від άτμός пара і σφαῖρα - куля) – зовнішня газова оболонка Землі і планет, що утримується навколо них гравітацією. Наявність атмосфери можлива лише за умови досить великої маси планети. Між атмосферою і космічним простором не існує чіткої межі, через це атмосферою зазвичай вважають ту частину, в якій газове середовище обертається разом з планетою як єдине ціле.

Атмосфера в основному складається з азоту (N₂, 78% об.) і кисню (O₂, 21% об.). Решта – це суміш аргону (0,93% об.) та вуглекислого газу (0,03% об.), неону, гелію, метану, криптону, водню та невеликими домішками інших газів. Крім того атмосфера містить близько 1,3÷1,5×10¹⁶ кг  води, основну масу якої зосереджено у тропосфері.

Попри те, що маса атмосфери становить лише одну мільйонну частку маси Землі, вона відіграє вирішальну роль у різних природних циклах (кругообігу води, вуглецевому циклі і азотному циклі).

Саме через наявність важливих процесів, які мають характер, відмінний від інших компонент геосистеми, атмосфера є окремим об'єктом дослідження ДЗЗ, і не може розглядатися як «природна перешкода» при вирішенні інших задач супутникового спостереження, як це було ще кілька десятиліть тому. 

Вивчення атмосфери базується на системному уявленні про перенос речовини і енергії в глобальній атмосфері.

На основі цього уявлення сформовано представлення переносу енергії в глобальній атмосфері, а також модель формування парникового ефекту, яка описує, в загальному вигляді, кліматичні зміни.

  

Таким чином, з точки зору застосування загальних моделей, стає важливим вивчення показників радіаційного балансу, розподілів теплових потоків, альбедо, компонентного складу атмосфери, контролю розподілу різноманітних домішок. Із застосуванням просторово інтегрованих даних супутникових спостережень стає можливим істотно вдосконалити моделі атмосфери, зокрема загальних моделей циркуляції, моделей циркуляції вуглецю, азоту і парникового ефекту, розподілу забруднень, а також метеорологічні прогнози.

З цього визначається основні задачі для застосування методів ДЗЗ в дослідженнях атмосфери:

• Моніторинг (довгострокової) динаміки кліматоформуючої компоненти з метою зниження невизначеностей кліматичних моделей: аналіз великомасштабної циркуляції, вивчення системних явищ (El Niño), динаміка процесів обміну з суходолом та океаном, розрахунки радіаційного балансу тощо
• Вивчення поточної  варіабельності метеорологічних показників для прогнозу погоди, контролю та передбачення надзвичайних ситуацій (кліматичного та гідрометеорологічного характеру): моніторинг у реальному часі температурних показників та вмісту вологи (кількість опадів, структура та динаміка хмарного покриву), визначення граничних умов для різночасових моделей прогнозування НС
• Вивчення фізичного та хімічного складу атмосфери: визначення хімічного складу та вмісту аерозолів, аналіз вмісту та розповсюдження забруднень, “кислотні дощі”, аналіз змін енергетичних властивостей атмосфери, аналіз балансу вуглецю, азоту, озону тощо

 Майже всю історію розвитку супутникових методів спостереження, дослідження атмосфери посідали провідну роль в задачах ДЗЗ. Більш як 40 місій, які включали в себе більше 100 супутників всіх космічних агенцій світу проводили дослідження саме атмосфери.

Вивчення атмосфери за спектральним відгуком її компонент проводиться за трьома основними схемами: надірною (стандартна схема ДЗЗ), лімбічна (спостереження під кутом до поверхні), та модель сонячного затемнення (отримання спектру атмосфери по відношенню до сонячного спектру).

Більшість сенсорів працює в надірній або лімбічній моделі.

Контроль змінних базується на реєстрації спектрального сигналу.

Таким чином можна вирішувати низку важливих задач: від калібрування, регіоналізації і верифікації глобальних моделей, до вдосконалення метеорологічних прогнозів і вирішення питань соціо-екологічної безпеки.

Наприклад, розподіл хмарного покриву є важливим з точки зору динаміки глобального альбедо. Це важлива складова кліматичних моделей.

При цьому структура хмарного покриву є важливою як для метеорологічних прогнозів, так і для кліматичних моделей, а також може бути використана в задачах безпеки: аналіз розповсюдження небезпечних процесів і забруднень.

Широкий спектр задач метеорологічного моніторингу традиційно вирішується за допомогою методів і даних ДЗЗ.

Як з точки зору метеорологічних задач, так і з точки зору загальних моделей, вивчення розподілу водяної пари в атмосфері є важливим. Крім того, що водяна пара формує такий важливий метеорологічний показник як вологість, вона визначає перенос маси в атмосфері, а крім того, вона є дуже потужним парниковим газом. Тому вивчення просторових (вертикальних і горизонтальних) і часових розподілів водяної пари в атмосфері є важливими задачами супутникового спостереження. Сучасні інструменти забезпечують вирішення цієї задачі.

Інтегровані дані спостережень в тепловому діапазоні дозволяють аналізувати особливості теплового балансу атмосфери з часовою від 8 годин і просторовою - від 1,2 км. З точки зору моделювання цікавими є різночасові осереднення і розподіли аномалій по відношенню до обчислених середніх. 

Задачі соціо-екологічної безпеки забезпечуються контролем і моделюванням розповсюдження забруднень. Наразі існує широка лінійка інструментів, яка забезпечує можливість детектування відповідного спектрального сигналу від основних типів забруднювачів.

Забруднення на регіональному і локальному рівні також можуть бути контрольовані за допомогою даних ДЗЗ, зокрема це стосується таких важливих техногенних забруднень, як окис азоту. Важливо зазначити, що по-перше, дані отримуються в рівномірно розподілених кількісних одиницях, в рамках однорідної методології, а по-друге, мають контрольовані показники достовірності, які погоджуються зі статистикою і даними наземних вимірювань (тобто потребують наземної калібровки і верифікації).

Прикладом успішного вирішення складної наукової задачі екологічної безпеки, пов'язаної з антропогенною діяльністю, є проблема "кислотних дощів". Теоретично розв'язана в середині 1980-х, вона потребувала суттєвої підтримки даними глобальних спостережень і точкових вимірювань, які і було забезпечено за допомогою даних ДЗЗ протягом 1990-х - 2000-х років.

Традиційною задачею залишається контроль вмісту озону. Кілька інструментів і місій спрямовано на вивчення цього питання.

 З точки зору подальшого вдосконалення кліматичних моделей і поглиблення нашого розуміння кліматичної системи, важливим є вивчення великомасштабних системних явищ. В цьому випадку методи і дані ДЗЗ є безперечно, унікальним джерелом інформації. Зокрема, модель Ель-Ніньйо, створена з використанням багаторічних даних ДЗЗ, дозволила досягти значного прогресу в розумінні цього явища і його ролі в земному кліматі.

Контрольні питання до лекції:

1.Назвіть перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях атмосфери.

2.Які типи задач потребують залучення моделей атмосфери для інтерпретації даних супутникових спостережень?

3.Які типи задач потребують залучення результатів наземних полігонних вимірювань для калібрування і верифікації супутникових спостережень?

4.Привести розподіл діапазонів зйомки, що використовуються для вирішення окремих метеорологічних та кліматологічних задач.

Перелік рекомендованої літератури:

1. Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2
2. Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6
3. Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6
4. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.