Дистанционные методы в океанологии

Титульный лист

Тема: «Дистанционные методы в океанологии»

Содержание

Введение

Актуальность  темы работы обусловлена тем, что в настоящее время к глобальным проблемам современности относятся создание современных приборов и методов изучения Мирового океана и дистанционного измерения его основных параметров, в том числе со спутников и космических станций, для проведения исследовательских, прикладных и хозяйственных работ.

Согласно со стратегическими интересами Российской Федерации научные исследования в открытом океане должны концентрироваться на следующих основных направлениях:

• научное обеспечение стратегической и оперативной деятельности российского военно-морского флота, зависящей от характеристик и состояния океанской среды;
• комплексное исследование процессов взаимодействия океана и атмосферы и определение роли Мирового океана в формировании изменчивости глобального климата;
• исследование динамики экосистем Мирового океана с целью оценки влияния процессов в океане на экосистему планеты в целом;
• исследование механизмов формирования биологической продуктивности Мирового океана с целью оценки биологических ресурсов и выявления акваторий, потенциально перспективных для их получения за пределами исключительной экономической зоны России;
• развитие дистанционных методов изучения океанов с космических аппаратов и других носителей. Это направление требуют проведения специализированных морских подспутниковых экспериментов для верификацией спутниковых измерителей и создания системы региональных алгоритмов.

Цель данной работы – рассмотреть и охарактеризовать дистанционные методы в океанологии.

1. Задачи неконтактных методов исследования океана

Несмотря на все возрастающую интенсивность изучения океана, уровень сегодняшних знаний о закономерностях протекающих в нем процессов далеко не соответствует практическим потребностям людей.

В первую очередь это  относится к важнейшим проблемам океанологии, таким, как обеспечение безопасности мореплавания, создание надежных моделей краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды, прогнозирование и обнаружение зон повышенной биологической продуктивности в океане и контроль загрязнения окружающей среды.

Имеющиеся сведения об океане позволили установить его существенную изменчивость с масштабами от миллиметров до сотен километров и от долей секунд до многих месяцев и даже лет. Это требует систематического и достаточно оперативного измерения соответствующих характеристик по всей акватории Мирового океана, то есть необходим глобальный охват наблюдениями с периодичностью обновления информации, не меньшей характерного временного масштаба измеряемых процессов.

Решить подобные задачи традиционными методами океанологии невозможно, для этой цели необходимо привлечение неконтактных (дистанционных) методов, в частности космических методов исследования океана, которые в последнее время достигли определенных, успехов практически по всем направлениям: в разработках физических основ методов и технических средств активного и пассивного зондирования океана, аппаратурно-программных средств и методов обработки получаемой информации.¹

Известно, что каждый объект при температуре выше абсолютного нуля поглощает, излучает и отражает электромагнитную энергию индивидуальным, присущим только ему образом и на специфических, характерных только для него длинах волн. Если отбор, сравнение и анализ спектральных и энергетических характеристик, полученных на носителе приемной аппаратуры, выполнить с учетом того, что полезная информация содержится в интенсивности излучения, форме сигнала, степени рассеянности сигнала неоднородностями атмосферы и поверхности океана и другим характеристикам, то можно различать объекты и получать данные об их размере, форме, плотности, температуре и других свойствах.

Однако использование дистанционных методов ставит ряд проблем, так как в этом случае измеряются косвенные характеристики океанологических параметров, т. с. решаются «обратные» задачи, под которыми понимается определение различных свойств исследуемого объекта по зафиксированным приемной аппаратурой собственному отражению поверхности океана, рассеянному и отраженному солнечному свету (пассивные методы) или с помощью активных методов дистанционного зондирования, из которых в настоящее время наиболее изученной является активная радиолокация.

Дистанционные методы зондирования океана классифицируются по признакам, характеризующим принципы построения измерительной аппаратуры, особенностям ее функционирования и способам использования для получения океанологических характеристик.

Методы и бортовая аппаратура ИСЗ разделяются по способу обзора поверхности океана на сканирующую и кадровую (многоканальную) аппаратуру; по принципу действия — на активную, излучающую сигнал и принимающую рассеянное или отраженное поверхностью океана излучение, и пассивную, основанную на измерении естественного излучения океана в широком диапазоне спектра электромагнитных волн; по использованию для проведения измерений различных участков электромагнитного спектра — на оптическую, инфракрасную и радиофизическую.

Космические методы исследований позволяют получать данные во всех областях спектра электромагнитных колебаний, однако следует отметить, что в настоящее время не существует прибора, позволяющего выполнять регистрацию  во всем диапазоне волн.

Использование ИСЗ как носителей аппаратуры дистанционного зондирования океана позволяет проводить синхронные измерения на значительных площадях океана и обеспечивает высокую периодичность обновления информации. Но в формировании принимаемого сигнала участвуют процессы различных пространственно-временных масштабов, и определенной трудностью обработки получаемой информации является отсутствие надежных теоретических и эмпирических связей между характеристиками исследуемого объекта и выходным сигналом прибора.

Дополнительные сложности  создает трансформация сигнала  в атмосфере и ее собственное излучение. Развитие дистанционных методов зондирования океана вызвало поступление сверхбольших объемов информации, что обусловило проблему обработки спутниковых изображений океана, так как постепенно нарастает разрыв между объемами получаемой и обрабатываемой информации.²

2. Развитие неконтактных методов исследования в океанологии

В последние 10-15 лет совершенствование дистанционных радиофизических методов привело к развитию казалось бы неожиданных научных направлений - радиогеодезии, радиоспектроскопии, радиоастрономии. Эти разделы современной радиофизики исследуют эффекты взаимодействия электромагнитных волн со средой.

В этот же период радиоволновые  дистанционные методы глубоко внедрились в геофизику, в результате начали формироваться новые направления: радиометеорология, радиогляциология и радиоокеанология.

Для становления и  развития этих радиогеофизических направлений перспективными оказались методы радио- и теплолокации с использованием очень широкого диапазона электромагнитных колебаний.

В радиоокеанологии, основанной на активной радиолокации и радиометрии, используются метровый, СВЧ, миллиметровый  и ИК диапазоны электромагнитного  спектра. Широко обсуждается использование оптического диапазона.

Теоретические и экспериментальные  радиофизические исследования океанологических характеристик по своему объему сегодня, бесспорно, уступают исследованиям, выполненным традиционными методами с различных судов. Однако перспективу широкого применения дистанционных радиоволновых методов для изучения океана со спутников, самолетов, а также с научно-исследовательских судов нельзя переоценить.

Уже сейчас новые радиофизические  методы, использующие электромагнитные волны радио- и ИК диапазонов, обеспечили получение новых сведений о термике водных поверхностей, строении и состоянии морских ледяных покровов, характеристики морского волнения.

Радиолокация морского дрейфующего льда стала не только методом его исследования, но и техническим средством ледовой разведки. ИК радиационная термосъемка, проведенная в трех арктических навигациях в восточной части Арктики, показала большие возможности метода для прогнозирования сроков начала ледостава на трассе Северного морского пути и привлекла к себе интерес не только ученых-океанологов и ледовых разведчиков, но и мореплавателей, непосредственно осуществляющих морские транспортные операции на этой важной и очень трудной магистрали.

ИК радиометры, установленные  на самолетах ледовой разведки, позволили оценить пространственную изменчивость термических неодпородностей, определить области повышенной и пониженной температуры поверхности вод Чукотского и Восточно-Сибирского морей и дать количественную оценку изменения энергии теплового излучения дрейфующих льдов в зависимости от облачности.

Пассивные микроволновые  исследования морей также принесли много новых и интересных сведений о термике и динамике поверхности вод.

Резюмируя, можно сказать, что активная радиолокация, микроволновая и ИК радиометрия, обосновавшие радиоокеанологию, открыли новые возможности и значительно расширили наши знания об океане. Они, бесспорно, будут весьма полезными при изучении механизмов среднемасштабных взаимодействий атмосферы и океана и решении различных прогностических задач. Естественно, ограниченность объема не позволяет подробно изложить имеющиеся материалы наблюдений и осветить более широкий круг вопросов. Наша основная цель - показать результативность дистанционных методов применительно к исследованию океана.³

3. Классификация дистанционных методов в океанологии

В рамках изучения данной темы представляется возможным рассмотрение следующих вопросов:

• Перечислить методы и средства дистанционного лазерного зондирования океана;
• Охарактеризовать лазерную батиметрию;
• Рассмотреть распространение лазерного излучения в морской воде;
• Описать дистанционное измерение температуры и солености воды;
• Рассмотреть диагностику фитопланктона, водного гумусова вещества, нефтей и нефтепродуктов и других растворенных и эмульгированных в воде веществ;
• Описать лазерный мониторинг морских экосистем;
• Рассказать о возможности лидарного зондирования океана со спутников;
• Представить физические основы радиолокационного зондирования;
• Рассмотреть гидроакустические методы дистанционной диагностики взволнованной морской поверхности
• Охарактеризовать применение акустической локации для измерения течений и внутренних волн в океане;
• Описать оптическую радиометрию;
• Проанализировать ИК-радиометрию: измерение температуры океанской поверхности; исследование теплового излучения и радиационного баланса системы океан - атмосфера; обнаружение нефтяных пленок на морской поверхности. Физические основы СВЧ-радиометрии.

Дистанционные оптические пассивные методы зондирования океана являются сравнительно новым и интенсивно развивающимся направлением в океанологии. Они основываются на связи характеристик электромагнитных полей, регистрируемых с судна или на высоте аэрокосмического носителя, с теми или иными параметрами поверхности и толщи океана.

Учитывая большой список методов – остановимся подробно на каждом в рамках данной курсовой работы невозможно. Целесообразно рассмотреть некоторые виды и дать сравнительный анализ возможностей разных дистанционных методов изучения океана.

4. Аэрофотосъемка  морской поверхности

Из методов дистанционного зондирования земной поверхности, использующих оптический диапазон электромагнитного  спектра, наиболее старым и, следовательно, наиболее разработанным является фотографическая съемка, проводимая с различных летательных аппаратов. Ее называют воздушной съемкой или аэрофотосъемкой. Первые воздушные фотографические съемки с летательных аппаратов, тогда — воздушных шаров, относятся к шестидесятым годам прошлого столетия, когда французский фотограф и воздухоплаватель Надар сфотографировал Париж,

В России впервые аэрофотографическая  съемка была осуществлена в 1886 г. С воздушного шара был сфотографирован Петербург,

В дальнейшем, с появлением самолетов и других летательных  аппаратов тяжелее воздуха, стали  быстро развиваться средства для проведения аэрофотосъемки, совершенствоваться технология съемочного процесса и обработки получаемых данных и вместе с тем расширяться области науки и практической деятельности, в которых находили применение результаты аэрофотосъемки.

Однако все-таки наиболее широко аэрофотосъемка земной поверхности использовалась и продолжает применяться в топографии и геодезии.

Можно, по-видимому, утверждать, что  основные успехи в развитии и совершенствовании  средств и методов аэрофотосъемки связаны с тем, что этот метод дал в руки геодезистов совершенно новые возможности картирования местности, резко повысил производительность их труда и увеличил точность топографических материалов по сравнению с наземными съемками.

К концу пятидесятых годов аэрофотосъемка стала широко применяться и в других областях науки и практики, связанных с изучением Земли и использованием земных ресурсов. Так, аэрофотосъемка прочно утвердилась в геоморфологических, почвенных, геоботаническнх, гидрографических и океанологических исследованиях.

Пионером в применении аэрофотосъемки в океанологических исследованиях  в СССР выступила Лаборатория  Аэрометодов АН СССР, сотрудниками которой уже в 1963 г. был создан фундаментальный труд «Применение аэрометодов в исследовании моря» (под редр проф. В.Г. Здановича, изд. АН СССР), не потерявший своего значения и в настоящее время.

Аэрофотосъемка исторически была первым и длительное время единственным дистанционным методом, примененным для океанологических исследований, и сыграла важную роль в развитии океанологии. Хотя за последний период появился ряд новых методов дистанционного зондирования океана, обладающих такими свойствами, которые не имеет аэрофотосъемка, все-таки ее роль в океанологических исследованиях продолжает оставаться значительной.

Это объясняется тем, что методика и технология аэрофотосъемочного процесса весьма детально отработаны, имеется широкий ассортимент аэрофотосъемочиой серийно выпускаемой аппаратуры, а также приборов для обработки аэрофотоснимков, с помощью аэрфотосъемки можно получить данные о достаточно большом числе океанологических параметров.

Непосредственным результатом  аэросъемочного процесса является аэрофотоснимок, представляющий собой визуально воспринимаемую модель объекта съемки и несущий достаточно большое количество информации о нем.

Однако, как правило, для  получения интересующих исследодователя  данных оказывается совершенно недостаточным  простое рассмотрение аэрофотоснимка, требуется проведение достаточно сложной обработки и дешифрирования, в результате чего получаются не только качественные данные об объекте съемки, но и количественные характеристики его геометрической структуры (размеров, координат и т. п.).⁴

5. Метод акустической термометрии

Одним из наиболее современных  дистанционных методов наблюдения за климатом океана безусловно следует считать мониторинг изменчивости интегральной температуры водных слоев на протяженных океанских трассах методом акустической термометрии. Метод основывается на отчетливой зависимости скорости распространения звука в океане от температуры воды.

Предполагается, что если в течении нескольких лет отслеживать  изменчивость времени распространения  акустических сигналов между излучателем  и приемником по разным лучам или  так называемым нормальным модам, то будет возможно определить наличие  тренда или колебаний интегральной температуры вдоль этой трассы в различных по глубине водных слоях.

Идея акустической термометрии  климата океана была предложена У. Манком и A. Форбесом [W. Munk and A. Forbes,1989]. Возможность  технической реализации этой идеи и некоторые основные научные положения метода были экспериментально проверены в Международном эксперименте "Heard Island Feasibility Test" [W. Munk и др.,1994], в котором акустические сигналы излучались в течение нескольких дней у берегов о.Херд и принимались в Индийском, Тихом и Атлантическом океанах. В настоящее время научные работы по проблеме акустической термометрии климата Мирового океана проводятся в рамках Международного проекта "Acoustic Thermometry of Ocean Climate" (ATOC). Проект включает в себя также исследования возможности и эффективности акустического мониторинга климата в Арктике, что было впервые предложено П. Михалевским.

Моделирование акустического  мониторинга выявило ряд специфических  особенностей и, в частности, преимуществ  использования этого нового метода измерений в условиях Арктического бассейна. Вид вертикального распределение температуры и, следовательно, скорости звука в Арктическом бассейне обуславливает преимущественно приповерхностное распространение акустических сигналов в океане и сильное влияние параметров ледяного покрова на энергетические характеристики этих сигналов.

На частоте 20 Гц, оптимальной  для трансарктических акустических передач, время прохождения сигнала  или его фаза чувствительны к  изменениям температуры воды в наибольшей степени, тогда как интенсивность принятых сигналов сильно зависит от параметров ледяного покрова, и в первую очередь, от его средней толщины.

Таким образом, применение акустической термометрии в Арктическом  бассейне не только актуально, но также и наиболее эффективен с точки зрения выявления существенных климатических изменений, поскольку позволяет организовать мониторинг сразу двух климатически значимых параметров - температуры океана и объема плавучих арктических льдов.⁵

6. Инфракрасные методы зондирования океана

Невозможность получения  данных о физическом состоянии океанологических объектов с помощью методов дистанционного зондирования, использующих видимый участок электромагнитного спектра, стимулировала обращение к другим диапазонам длин волн. В частности, еще в 20 гг. текущего столетия были предприняты первые опыты по созданию аппаратуры, работающей в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, и применению этой аппаратуры для дистанционного исследования подстилающей поверхности. В дальнейшем, начиная с 50 годов, исследования по использованию инфракрасной аппаратуры для дистанционного определения параметров подстилающей поверхности, в том числе и поверхности океана, начали развиваться быстрыми темпами.

Особенно большой вклад  в этом направлении внесли исследователи ЛО ГОИНа, ЛАНИЙ, ГГО им. А. И. Воейкова. К настоящему времени инфракрасный метод зондирования океана по степени разработанности и широте практического применения занимает одно из первых мест в ряду прочих дистанционных методов. Можно утверждать, что он уже вышел из экспериментальной стадии и превратился в производственный способ получения океанологической информации.

С помощью пассивной  инфракрасной аппаратуры, установленной на летательных аппаратах, можно удобно, быстро и с большой точностью получать данные о температуре поверхности океанологических объектов на значительных акваториях в любое время суток. Дальнейшая обработка и анализ температурных характеристик позволяют расширять количество видов получаемой океанологической информации, представляющих интерес для океанологической науки и практики.

Так, в частности, в  последние годы доказана возможность  применения инфракрасной аппаратуры для определения толщины ледяного покрова.

Наряду с пассивными инфракрасными методами начинает применяться и активная инфракрасная аппаратура. Имеются сведения об успешных опытах использования инфракрасных лазеров для дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений вод океанов и морей.⁶

7. Радиофизические методы зондирования океана

Несмотря на достоинства  методов дистанционного зондирования океана, использующих оптический и инфракрасный диапазоны электромагнитного спектра, им присущ также важный недостаток» сужающий возможности их практического применения. Этот недостаток состоит в том, что наблюдения за поверхностью моря с помощью дистанционной зондирующей аппаратуры оптического и инфракрасного диапазонов возможно производить только в отсутствии облачности и осадков (а оптическими средствами, кроме того, только в светлое время суток).

Указанное обстоятельство в основном и определило появление  и развитие самого молодого направления  неконтактных методов исследования океанов радиофизических методов, использующих микроволновый (или сверхвысокочастотный — СВЧ) диапазон электромагнитного спектра в интервале длин волн I мм—1 м. Существенную роль в развитии этого направления сыграли также огромные успехи радиоэлектроники, в частности радиолокации. Электромагнитные волны с длинами от 1 мм до 1 м по традиции относят к радиоволнам, изучением их распространения занимается радиофизика, а устройства, генерирующие и принимающие их, носят название радиоэлектронных.

Радиоволны СВЧ диапазона  хотя и испытывают некоторую трансформацию  при прохождении зон облаков  и осадков, но прак-'ически легко  проникают сквозь них и дают тем самым возможность осуществлять наблюдения поверхности океана практически при любых погодных условиях.

В настоящее время  считается общепризнанным, что с  помощью радиофизических методов  можно получать информацию о температурных характеристиках океанологических объектов, строении и состоянии ледяного покрова, параметрах морского волнения, загрязнении поверхности океана.

Первые опыты по применению радиоволн для дистанционных  измерений были предприняты в  конце 40-х — начале 50-х гг. Так, сотрудниками ИРЭ АН УССР под руководством С. Я. Брауде была показана возможность дистанционного неконтактного измерения некоторых параметров морского волнения при помощи радиоустройств, работающих на коротких волнах. Были и последующие попытки использовать коротковолновый диапазон радиоволн для аналогичных целей. Однако этот диапазон не нашел применения из-за громоздкости антенных устройств.

Первые предложения по использованию радиолокационных изображений морской поверхности (СВЧ диапазон) для измерения параметров волнения были сделаны в 50-х гг. В. В. Дремлюгом.

Наблюдения за собственным  радиоизлучением атмосферы в  СВЧ диапазоне были впервые в нашей стране проведены В. С. Троицким и С. А. Жепакниым в конце 50-х гг. Эти первые исследования проложили дорогу дли дальнейшего все более расширяющегося развития радиофизических методов дистанционного зондирования.

В настоящее время  разработкой радиофизических методов  определения океанологических параметров в нашей стране занимается большое  число научно-исследовательских организаций. Особенно значительный вклад в это направление внесли сотрудники ААНИИ, ГОИНа, ГГО им. А. И. Воейкова. ИРЭ АН УССР.

Радиофизические методы дистанционного зондирования океана развиваются  в двух основных направлениях. Первое направление предусматривает разработку и создание активных средств (радиолокаторов) и методой их применения для получения океанологических параметров. Второе направление ставит своей задаче:! использование особенностей естественного излучения океанологических объектов в СВЧ диапазоне для определения данных о состоянии поверхности океана (пассивный метод).

Необходимо отметить, что, в отличие от оптических и  инфракрасных методов, активный радиофизический метод получил наибольшее развитие и распространение по сравнению с пассивным. Так, радиолокация морского дрейфующего льда стала не только методом его исследования, но и штатным техническим способом ледовой авиаразведки. Напротив, пассивный метод не вышел из стадии экспериментальных исследовании. Следует также подчеркнуть, что, судя по имеющимся признакам, в ближайшие годы не предполагается широкого практического использования пассивных радиофизических средств для самолетного зондирования морей и океанов.

Проводимые теоретические  и экспериментальные исследования преследуют главным образом цель получить необходимые характеристики естественного микроволнового излучение океанологических объектов и решить ряд методических вопросов для повышения эффективности работы пассивной радиофизической аппаратуры (микроволновых или СВЧ радиометров), устанавливаемой на искусственных спутниках Земли («Космос-243», «Космос-348», «Сиасат» и т. п.). Вместе с тем, конечно, не исключается использование такой аппаратуры и с самолетов, на что указывает, в частности, применение микроволновых радиометров на самолетах ледовой патрульной службы в Северной Атлантике.⁷

Заключение

За последние годы все более широко и с возрастающей интенсивностью стали применяться новые методы определения океанологических параметров, получившие название дистанционных или неконтактных методов зондирования океана.

Главной отличительной  чертой этих методов является возможность получения количественных значений параметров, характеризующих физическое состояние океана, без непосредственного контакта измерительной аппаратуры с измеряемой средой. Как известно, традиционная измерительная океанологическая аппаратура обязательно предполагает помещение чувствительных элементов первичных преобразователей (датчиков) в ту среду, характеристики которой предполагают определить (измерить).

Возможность определения  океанологических параметров без установления непосредственного контакта измерителей  с измеряемыми объектами предоставляет целый ряд преимуществ в изучении океанологической обстановки по сравнению с использованием контактной аппаратуры.

Главными из них являются следующие:

во-первых, в отличие  от контактных приборов, позволяющих  производить измерения в какой-либо точке или в ограниченном числе  точек па акватории океана, т. е. с  большой пространственной дискретностью, дистанционные методы зондирования дают возможность получать непрерывные пространственные данные;

во-вторых, неконтактные методы могут с успехом использоваться в тех случаях, когда по ряду причин (главным образом связанных с невозможностью доставить прибор и произвести измерение в каком-либо районе океана из-за тяжелых погодных и ледовых условий) контактные приборы применены быть не могут. Этим обстоятельством, в частности, объясняется очень малое количество имеющихся данных о параметрах волнения моря для наиболее интересных штормовых условий, а освещение ледовой обстановки Контактными способами вообще является невозможным;

в-третьих, дистанционные  методы зондирования океана позволяют получить данные о физическом состоянии больших океанских акваторий в короткие сроки со сравнительно малыми экономическими затратами.

Именно эти качества определяли быстрое и бурное развитие дистанционных методов зондирования океана за последние годы.

Таким образом, можно  с уверенностью сказать, что в настоящее время, изучая тему дистанционных методов зондирования в океанологии, можно сделать вывод о том, что в ближайшем будущем актуально будет изучать проблемы создания новых технологий дистанционного зондирования поверхности Мирового океана, обеспечивающих проведение комплексных научных исследований, проблемы своевременного обнаружения и предсказания по данным измерений, полученным из океана и космоса, природных катастрофических явлений.

Дистанционные методы в  океанологии, с применением спутниковых методов открыли новые возможности для научных исследований и технологических разработок в различных областях науки и техники; внесли большой вклад в понимание динамики атмосферы и океанов.