Використання космічної інформації у вивченні гідросфери: Застосування супутникових спостережень для досліджень світового океану

Тут будуть розглянуті загальні представлення і моделі океанської циркуляції, ключові змінні і відповідні інформативні ознаки океанських процесів за матеріалами ДЗЗ, перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях океанів, перелік основних супутникових місій і типів приладів для дослідження океанів, дослідження характеру океанської циркуляції, радіаційного та теплового балансу морської поверхні, спостереження за динамікою океанських явищ, вивчення системних явищ, фізичних і хімічних властивостей океану, складу води (компонентного складу, зокрема солоності, контролю специфічних забруднювачів), спостереження і прогнозування небезпечних явищ і процесів та змін клімату. Дослідження полярних зон. Застосування методів ДЗЗ для вивчення геологічних і біологічних ресурсів океану.

 

Іншою традиційною задачею для ДЗЗ є вивчення Світового океану. Океан є важливою складовою планетарної системи, системне і всебічне вивчення якої життєво важливе для людства.

Океан, що є водною оболонкою планети, покриває, 70,8% поверхні земної кулі. Вода в океані має приблизно однаковий сольовий склад (99% — йони Na, Mg, K, Ca, Cl, S). Середня концентрація соляного розчину 35 г/л. (тільки в Червоному морі - 42%).

Середня глибина океану складає 3795 м, найбільша - 11022 м. Загальний об'єм води в океані оцінюється в 1340–1370 млн км3.

За геоморфологічними і геологічними особливостями в океані виділяють підводну околицю материків (шельф,материковий схил і материкове підніжжя), перехідні зони від океану до материків, зокрема системи острівних дуг; ложе океану та серединно-океанічні хребти. Дно океану утворює земна кора океанічного типу товщиною 8-10 км, в якій відсутній ґранітно-метаморфічний шар. Ложе океану складене базальтами; на них розташовується чохол глибоководних осадів, потужність яких зменшується, а підошва омолоджується в напрямку до серединно-океанічних хребтів. Найбільш давні з відомих осадів дна належать до юри.

Сучасне осадкоутворення в океані обумовлюється стоком рік (18,53 млрд.т/рік твердого матеріалу), стоком розчинених речовин (3,2 млрд т/рік), льодовиковим стоком (1,5 млрд.т/рік), еоловим матеріалом (бл.1,6 млрд.т/рік), абразією берегів та дна (0,5 млрд.т/рік), біогенними осадами (1,7-1,8 млрд.т/рік), космогенним матеріалом (0,01-0,08 млрд.т/рік), тобто, загалом близько 290-30 млрд.т/рік.

Середня температура поверхневої води в океані складає +17,5оС, біля екватору до +28 оС, у полярних широтах -(1,5-1,9). На глибині розподіл температур визначається процесами горизонтальної та вертикальної циркуляції вод. У придонному шарі температура води практично незмінна +(1,4-1,8), а у полярних широтах - нижче 0 оС.

В океані зосереджено значні біологічні і геологічні ресурси. Наприклад, з морської води видобувають кухонну сіль (третина світового виробництва), магній, калій, бром, деякі мікроелементи (літій, бор). Під дном зосереджена значна кількість корисних копалин. У межах шельфу зосереджені родовища нафти, газу, титану, заліза, вугілля, виявлено розсипища олова, ільменіту, рутилу, монациту тощо. У донних відкладах є фосфоритові, баритові, залізо-марганцеві конкреції.

Крім того, океан є важливим комунікаційним засобом. Все це зумовлює інтерес до вивчення океану. Традиційно моделі океану розроблялися як моделі глобальних океанських течій з метою сприяння навігації.

Сучасні моделі океану включають опис різномасштабної циркуляції і вертикальної динаміки у взаємодії з іншими компонентами кліматичної системи - атмосферою і суходолом.

Основними змінними тут є швидкість, тиск (в тому числі, вітровий), розподіл щільності (солоність), температура і теплові потоки, висота поверхні. Вони описують особливості циркуляції з високою точністю.

Виходячи із такого переліку змінних, що їх динаміку можна контролювати за допомогою методів ДЗЗ, та вигляду моделей, виникає відповідний перелік задач.

Основні задачі для застосування даних ДЗЗ в задачах вивчення Світового океану:

• Моніторинг (довгострокової) динаміки кліматоформуючої компоненти з метою зниження невизначеностей кліматичних моделей: аналіз великомасштабної циркуляції, вивчення системних явищ (El Niño), динаміка процесів обміну тощо;
• Вивчення поточної  варіабельності динамічних процесів (течії, припливи, хвилі, турбулентність, структура водних мас, розподіл фізичних і хімічних властивостей середовища – температура, солоність, прозорість) для:

-         оцінки екологічної безпеки прибережних зон

-         контролю та передбачення надзвичайних ситуацій;

• Оцінка ресурсного потенціалу територій: визначення та оцінка геологічних ресурсів (пошук родовищ корисних копалин та оцінка запасів) та біологічної продуктивності океану  (продуктивність, розподіл промислових об'єктів та кормової бази);
• Дослідження полярних зон;
• Реєстрація забруднень

Для контролю визначених змінних та вирішення визначених задач використовують велику кількість сенсорів, встановлених на кількох десятках супутників - як спеціалізованих, так і багатозадачних.

Традиційно широке використання мають сенсори оптичного діапазону.

Втім, оцінка висоти поверхні і контроль поверхневих течій здійснюється за допомогою радіолокаційних методів. При цьому велику роль відіграють калібрувальні роботи. Для калібрування даних місії Topex, наприклад, використовувалося понад 2200 буїв. Це дозволило отримати дані високої достовірності.

Дані в ближньому інфрачервоному та тепловому діапазонах є корисними, разом з оптикою, для вирішення задач контролю прибережних процесів та динаміки поверхні.

Вивчення системних явищ методами ДЗЗ дозволило суттєво вдосконалити кліматичні моделі і покращити наше уявлення про океанську і атмосферні складові кліматичної системи.

Розподіл температур морської поверхні є важливою задачею як з точки зору задач кліматичного моніторингу, так і для аналізу ресурсів океану.

Температура морської поверхні отримується з часовим розрізненням від 6 годин і просторовим від 500 метрів. Це дозволяє будувати детальні карти і рахувати точні кількісні моделі різноманітних явищ: переносу енергії, випаровування, біологічної активності, кліматичних процесів різного масштабу тощо.

Щільність поверхневого шару є важливою змінною моделей океанської циркуляції. Цей показник може успішно вимірюватися за допомогою методів ДЗЗ

Одна з найскладніших проблем в галузі вивчення океану - вивчення зони взаємодії "суходіл-океан". В першу чергу тому, що не існує коректної узагальненої моделі цих процесів. Однак окремі процеси можуть вивчатися за аналізом просторово-часових розподілів певних показників.

Оцінка фізичного і хімічного складу морського середовища за даними ДЗЗ в оптичному діапазоні дозволяє вирішувати багато важливих прикладних задач. Зокрема, задачу оцінки виносу твердих речовин річками. При цьому, зважаючи на антропогенні і техногенні навантаження на річкові басейни, ця задача може бути віднесеною до питань екологічної безпеки.

Оцінка показників біологічної активності зводиться до визначення концентрації хлорофілу в поверхневому шарі (для коректності це має бути зроблено паралельно з вимірюванням температури поверхні). Ці показники важливі для вивчення біологічних ресурсів океану (кількість кормової бази для промислових видів), біологічної безпеки (цвітіння води і розповсюдження збудників захворювань), кліматичного моніторингу (аномалії температури і солоності) тощо.

Окремою задачею є реєстрація забруднень. Це може бути здійсненим як в оптичному, так і в радіодіапазоні.

Вивчення геологічних ресурсів океану проводиться на основі наборів проблемно-орієнтованих моделей, які забезпечують набори інформаційних ознак - пошукових ознак певних типів ресурсів в морському середовищі та/або на морський поверхні. Ці пошукові ознаки використовуються в ДЗЗ.

Таким чином вирішуються основні типи задач вивчення Світового океану методами ДЗЗ.

Рекомендована література:

1.     Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9

2.     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

3.     Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.

4.     Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6

5.     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