Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Мы разговариваем с одним из ведущих специалистов в России в области спутниковой океанологии Андреем Геннадьевичем Костяным, доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук, профессором Льежского Университета. Тема разговора – дистанционное зондирование океанов и морей.

Каковы методы изучения океанов и морей из космоса?

Спутниковые методы давно, широко и активно используются для мониторинга Мирового океана и в настоящее время играют важную роль в создаваемой Глобальной системе наблюдения за океаном. Глобальная система наблюдения в настоящее время включает около 10 тыс. наземных станций; 1 тыс. аэрологических станций; более 1 тыс. кораблей; 1200 дрейфующих буев; 200 заякоренных буев; 3 тыс. ныряющих буев «Арго» и примерно 3 тыс. коммерческих самолетов. В космическую группировку системы входит шесть геостационарных спутников, пять полярно-орбитальных спутников, пять оперативных спутников для исследования окружающей среды и еще около 50 различных спутников. Наиболее информативный метод решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса — использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Они оснащены приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой) и выведены на орбиты специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.

Различные активные и пассивные сенсоры, работающие в видимой, инфракрасной и микроволновой областях электромагнитного спектра, используются для измерения четырех основных параметров океанов и морей: цвета, температуры, высоты и шероховатости морской поверхности. Зная эти параметры, можно решать разнообразные задачи:

  1. Цветовые сканеры определяют спектральные свойства радиации, восходящей с водной поверхности, которая несет информацию о различных оптических характеристиках поверхностного слоя океана – прозрачности вод, концентрации взвешенного вещества, содержании хлорофилла, цветении вод и т.д. Оптический диапазон также позволяет наблюдать скопления и кромку льда, айсберги и при определенных условиях – нефтяные загрязнения.
  2. Инфракрасные и микроволновые сенсоры используются для измерения температуры поверхности океана/моря (ТПО/ТПМ). В отличие от инфракрасных радиометров и оптических сканеров пассивные микроволновые сенсоры могут измерять поле ТПО в условиях сплошной облачности, правда с меньшей точностью и пространственным разрешением. Инфракрасные радиометры позволяют также наблюдать скопления и кромку льда. Микроволновая радиометрия позволяет определять соленость поверхностных вод, однако пока еще с точностью, недостаточной для большинства задач в океанографии.
  3. Активные микроволновые сенсоры (альтиметры, скаттерометры, радары с синтезированной апертурой) используются для определения высоты морской поверхности, уровня океанов и морей, высоты волн, скорости приводного ветра, льда и нефтяных загрязнений.

Для решения каких задач используются данные дистанционного зондирования?

Область применения данных дистанционного зондирования, получаемых с различных спутников, исследующих моря и океаны, широка и далеко не исчерпывается приведенным ниже списком конкретных задач:

  • оперативное картографирование и изучение температурного режима морей и океанов;
  • оперативное картографирование и изучение ареалов распространения взвешенного вещества;
  • анализ концентрации и распределения фитопланктона в целях определения биопродуктивности моря и цветения вод;
  • отслеживание ледовой и снеговой обстановки на суше и на море;
  • мониторинг уровня и динамики вод различных частей морей и океанов;
  • мониторинг уровня, стока и дельт крупных рек;
  • охрана окружающей среды;
  • мониторинг экологического состояния территорий и акваторий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых;
  • контроль береговых зон, наблюдение за судами, выявление и отслеживание нефтяных загрязнений;
  • текущий контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа и оперативный мониторинг их состояния;
  • изучение облачного покрова, мониторинг опасных атмосферных явлений, скорости ветра и высоты волн;
  • мониторинг природных и антропогенных катастроф, лесных пожаров и наводнений.

Каковы преимущества и ограничения спутниковых методов?

Спутниковые методы исследования океана обладают рядом преимуществ по сравнению с морскими или авиационными средствами наблюдений. Среди них — глобальное покрытие земного шара, мгновенная съемка обширных акваторий, съемка акваторий сопредельных государств, наивысшая оперативность в получении данных, возможность ежедневного повтора наблюдений, высокое пространственное разрешение (от 1 км до 60 см), получение комплексных и мультисенсорных данных, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, использование одних и тех же спутниковых данных для решения вспомогательных и дополнительных задач на суше (пожары, наводнения, опустынивание, водные ресурсы), существенно низкая стоимость спутникового мониторинга по сравнению с морскими наблюдениями. Эти методы не лишены и некоторых ограничений и недостатков, которые хорошо известны специалистам.

Какие спутники используются для изучения прибрежных районов океанов и морей?

Спутниковый мониторинг прибрежных районов океана и внутренних морей — важнейший метод контроля их экологического состояния. Он основан на приеме цифровых данных с радиометров, сканеров, спектрометров, радаров, альтиметров, скаттерометров, установленных на различных спутниках (NOAA, Terra, Aqua, TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2, GFO, Envisat, Radarsat-1, Radarsat-2, ERS-2, QuikSCAT, Landsat-1–7, IRS, Kompsat-2, EROS-A, IKONOS, SPOT-1–5, QuickBird, Formosat-2 и многих других) и позволяющих получать информацию о поле температуры поверхности моря, взвеси, концентрации хлорофилла, других оптических характеристиках водной поверхности и суши, нефтяном загрязнении, а также об аномалиях уровня моря, изменчивости течений и скорости ветра с высоким пространственным и временным разрешением.

Более подробную информацию о действующих в настоящее время и планируемых к запуску спутниках можно найти, например, на интернет-сайтах: американского космического агентства NASA, европейского космического агентства ESA, канадского космического агентства CSA, а также на сайтах ряда других зарубежных и отечественных организаций, например, IOCCG, SPUTNIK, SOVZOND и др.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

В связи с аварией на нефтяной платформе в Мексиканском заливе в апреле 2010 года, расскажите о спутниковых методах мониторинга нефтяного загрязнения.

Радиолокаторы с синтезированной апертурой являются незаменимым средством для мониторинга нефтяных загрязнений океанов и морей. Анализ получаемой информации позволяет оперативно отслеживать экологическую обстановку акватории, подверженной воздействию стоков различной природы, оценивать площадь и степень ее загрязненности и исследовать физические процессы, определяющие перенос загрязнений по изучаемым акваториям, а иногда и определять виновников нефтяного загрязнения. Возможность обзора в короткие сроки огромных акваторий, а также возможность повторных наблюдений одного и того же региона с небольшим интервалом времени (до 12 часов) делают использование космической информации наиболее дешевым, оперативным и объективным методом экологического мониторинга морей и океанов.

Нефтяные пленки подавляют короткие гравитационно-капиллярные волны и локально видоизменяют шероховатость морской поверхности. Различия в интенсивности радиолокационного сигнала от поверхностей покрытых пленкой и чистых акваторий позволяют радиолокатору определять нефтяные пятна с высоким пространственным разрешением (25–75 м). Радиолокаторы с синтезированной апертурой имеют преимущества перед оптическими приборами, установленными на самолетах, поскольку дают данные по большой акватории, вне зависимости от облачности и освещенности (день/ночь). Этот тип приборов в настоящее время находится, например, на спутниках «Envisat» и «ERS-2» Европейского космического агентства и «Radarsat-1 и -2» Канадского космического агентства.

В марте 2002 г. был запущен спутник «Envisat» с 10 приборами оперативных систем для мониторинга океанов, льда, суши и атмосферы. Спутник имеет 35-суточный цикл повторяемости пролетов по своим трассам, но благодаря широкой полосе захвата многих приборов он может наблюдать любую точку на поверхности Земли с периодичностью от нескольких часов до нескольких суток. Радиолокатор ASAR (Advanced Synthetic-Aperture Radar) используется для мониторинга нефтяных пятен и льда на поверхности моря, измерений различных океанских явлений (течений, фронтов, вихрей, внутренних волн), определения местоположения судов, поиска нефтегазовых месторождений и других целей. Активными пользователями этой спутниковой информации являются береговая охрана, национальные агентства по охране окружающей среды, нефтяные, судоходные, рыболовные и страховые компании, а также научные организации.

В Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН имеется уникальный разносторонний опыт проведения комплексного спутникового мониторинга Балтийского, Чёрного, Азовского, Каспийского, Аральского, Средиземного, Баренцева и Карского морей, а также Северного Ледовитого, Атлантического, Тихого и Индийского океанов для решения различных научных задач. В частности, специалисты ИОРАН в сотрудничестве с учеными Института космических исследований РАН, Геофизического центра РАН, а также Морского гидрофизического института (г. Севастополь) разработали эффективный комплексный (мультисенсорный и междисциплинарный) подход к оперативному спутниковому мониторингу нефтяного загрязнения морей России.

Впервые такой подход был реализован на практике для района юго-восточной Балтики, где в 2004–2005 гг. по контракту с ООО «Лукойл-Калининградморнефть» нами была фактически создана служба мониторинга нефтяного загрязнения, которая работала в оперативном режиме круглосуточно в течение 18 месяцев. Впоследствии аналогичный комплексный подход был применен к Азово-Черноморскому бассейну, Каспийскому морю и Финскому заливу. Результаты, полученные нами в 2004–2011 гг., показали эффективность комплексного спутникового мониторинга экологического состояния Балтийского, Чёрного, Азовского и Каспийского морей. Разработанная технология оперативного комплексного спутникового мониторинга и приобретенный опыт могут быть легко перенесены на другие моря Российской Федерации и районы Мирового океана.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Нефтяное загрязнение юго-восточной части Балтийского моря 25 августа 2005 г.

Чем еще загрязнены моря?

Помимо нефтяного загрязнения присутствует и загрязнение взвешенными веществами, которые поступают в море в результате производственной деятельности на акватории моря и на берегу – прокладка трубопроводов (например, «Норд Стрим» в Балтийском море), кабелей, дампинг, взрывы на дне и т.д. Большое количество взвешенного вещества поступает со стоком рек и в результате выноса вод из заливов. Сильное волнение на мелководье также увеличивает концентрацию взвеси в воде. Все это приводит к вторичному загрязнению, увеличению мутности, снижению фотоактивной радиации, биопродуктивности, изменению структуры популяций, гибели организмов, обитающих на морском дне.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Концентрация взвешенного вещества в восточной части Финского залива по данным MERIS-Envisat 12 июля 2010 г. Шлейфы взмученных вод из прибрежной зоны Финляндии пересекают трассу газопровода «Норд Стрим» (черная линия).

Эвтрофикация (чрезмерное увеличение содержания биогенных элементов) поверхностных вод морей, объясняемая главным образом излишком питательных веществ (фосфора и азота), — важная проблема, которая с каждым годом становится все острее. Следствием эвтрофикации вод является бурное цветение сине-зеленых водорослей (многие из них токсичны), которое с каждым годом охватывает все большие площади Балтийского моря и стало появляться в Черном и Каспийском морях.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Аномальное цветение вод в северо-западной части Черного моря по данным MERIS-Envisat 16 июля 2010 г.

Концентрация хлорофилла, показатель поглощения желтого вещества и показатель рассеяния назад взвешенными частицами – параметры, определяемые со спутников, дают возможность исследовать пространственную и временную изменчивость трех важнейших компонентов содержащегося в морской воде вещества — фитопланктона, взвеси и окрашенного органического вещества, обнаруживать расположение источников этих веществ, исследовать их распространение и трансформацию от этих источников.

В настоящее время мониторинг распределения взвешенного вещества и цветения вод осуществляется с помощью сканеров MODIS, установленных на спутниках «Terra» и «Aqua», а также MERIS, установленного на «Envisat». С 1999 г. «Terra» стал флагманом спутниковой системы по мониторингу Земли (EOS), предназначенный для получения комплексных данных об атмосфере (свойства аэрозолей и облаков, профили температуры и водяного пара), суше (изменения в природных ландшафтах, вегетации, снежном покрове и температуре суши) и океане (температура поверхности, содержание взвеси и хлорофилла). Многофункциональные 36-канальные спектрорадиометры MODIS позволяют получать информацию об оптических свойствах подстилающей поверхности с пространственным разрешением 250, 500 и 1000 м в надире, а также тепловые изображения в ИК-диапазоне с разрешением 1 км. Полоса обзора шириной 2330 км позволяет видеть любую точку на Земле с периодичностью 1–2 суток. Комбинация данных о поле температуры, цвете моря и других оптических свойствах морской поверхности позволяет получать информацию о распределении взвеси, цветении вод, температуре поверхности моря, а также о полях течений с высоким разрешением путем анимации последовательности спутниковых изображений.

Многие из спутниковых приборов высокого пространственного разрешения (0,5–2,5 м) видимого диапазона спектра с успехом могут использоваться для морских исследований, в первую очередь в прибрежной зоне, где высокое пространственное разрешение необходимо из-за сильной пространственной изменчивости процессов или их мелких масштабов, например мелкомасштабных вихрей и течений. Такие приборы, установленные на ИСЗ «EROS-B», «Ikonos» и «QuickBird», дают панхроматические изображения морской поверхности или суши с пространственным разрешением лучше 1 м. Данные представленных приборов предоставляются за плату, размер которой зависит от вида съемки.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Большой канал Венеции. Изображение со спутника «Ikonos».

Что Вы можете сказать о мониторинге температуры и динамики вод океана?

Мониторинг мезомасштабной структуры и динамики вод может осуществляться с помощью, например, радиометров AVHRR, установленных на нескольких спутниках серии «NOAA-KLM» или вышеупомянутых спектрорадиометров MODIS. Спутники серии «NOAA» (Национальное управление США по изучению океана и атмосферы; NOAA, США) являются квази-полярными спутниками. Они оснащены различными инструментами, в частности радиометром AVHRR (усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения) с пятью спектральными каналами с пространственным разрешением 1 км и разрешением по температуре 0,1оС. Радиометр используется для широкого диапазона задач по мониторингу состояния окружающей среды. С его помощью ученые анализируют и прогнозируют погоду; исследуют и прогнозируют климат; изучают поля температуры поверхности океанов и морей, а также температуру и влажность атмосферы; занимаются мониторингом динамики вод океана, извержений вулканов, лесных пожаров, пылевых бурь и уровня вегетации. Дважды в день каждый спутник покрывает любую точку на поверхности земного шара.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Температура поверхности Черного моря 7 августа 2011 г. по данным спутника «METOP-2».

Какие еще характеристики океана можно исследовать из космоса?

Мониторинг уровня океанов и морей, высоты ветровых волн и скорости ветра осуществляется с помощью альтиметров, установленных на спутниках «TOPEX/Poseidon», «Jason-1 и -2» и других. Эти системы являются совместным проектом NASA и CNES (Национальный центр космических исследований Франции). Совместная программа США и Франции мониторинга топографии поверхности океана разрабатывалась для решения исключительно океанографических задач: изучение мезомасштабной и крупномасштабной циркуляции океанов и морей, исследование синоптической и климатической изменчивостей уровня океанов и морей и других целей. В июне 2008 г. по этой программе на орбиту был запущен очередной спутник, «Jason-2», главная цель которого — поддержание непрерывности мониторинга уровня Мирового океана, начатого спутником «TOPEX/Poseidon» и «Jason-1». Через каждые 10 суток спутник повторяет измерения по заданным трекам с пространственным разрешением 7,5 км. Точность работы альтиметра составляет около 2 см, расчета высоты волн – 0,4 м или 10%, а скорости ветра – 1,5 м/с.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Изменение уровня Каспийского моря с 1993 по 2009 год по данным спутников «TOPEX/Poseidon», «Jason-1» и «Jason-2».

Мониторинг приводного ветра на акватории океанов и морей также осуществляется, например, с помощью скаттерометра SeaWind, установленного на спутнике «QuikSCAT». Принцип скаттерометрии основан на том, что зондирующий радиоимпульс, направленный под углом к морской поверхности, рассеивается из-за ее шероховатости, обусловленной ветровыми волнами. Таким образом, часть отраженного сигнала, принимаемая радаром, хорошо коррелирует со скоростью приводного ветра. По величине коэффициента обратного рассеяния определяется скорость ветра, а по ее зависимости от азимутального угла (угол между направлением движения и положением оси антенны) – направление ветра. Для скаттерометра SeaWind пространственное разрешение составляет 25 км. Скорость ветра в диапазоне 3–20 м/с рассчитывается с точностью 2 м/с и 10% для скоростей выше 20 м/с, а его направление – с точностью 20° для интервала 3–20 м/с. Данные скаттерометрии «QuikSCAT» позволяют анализировать поле приводного ветра, например, на акватории Балтийского моря дважды в сутки.

Существуют ли архивы спутниковых данных и можно ли ими пользоваться?

В последние годы с появлением доступных банков глобальной регулярной спутниковой информации и данных реанализа о поле температуры поверхности моря, уровне моря, концентрации хлорофилла, ледовом покрытии, атмосферном давлении, ветре, осадках, влажности, потоках тепла и других гидрометеорологических характеристиках (PODAAC JPL, UT/CSR, NCEP, GSFC NASA, DAAC GSFC), появилась возможность изучения не только сезонной, но и межгодовой изменчивости состояния акваторий морей и океанов, а также суши. Это особенно важно для изучения изменчивости регионального и глобального климата.

Профессиональные базы данных требуют специальной подготовки пользователей спутниковой информации в области специализированного программного обеспечения, знания и умения работать с различными форматами данных. Однако существует множество архивов спутниковой информации и изображений Земли, которые могут быть полезны и для неподготовленных специалистов. Адреса таких спутниковых архивов можно скачать здесь.

Каковы перспективы изучения океана из космоса?

Планируемые наблюдения океанов и морей методами дистанционного зондирования и развитие спутниковых систем мониторинга чрезвычайно широки. США, Канада, Европа, Индия, Япония и другие страны ежегодно запускают спутники, предназначенные для сбора разнообразной информации о суше, океане и атмосфере. Спутники, которые завершили срок своей эксплуатации, заменяются на новые, с комплектами более совершенных приборов. Точность и разрешающая способность этих приборов постоянно растет, расширяется и набор параметров, характеризующих состояние окружающей среды, которые могут быть измерены из космоса. США и Европейское космическое агентство открывают для свободного доступа все больше спутниковой информации, платная спутниковая информация постепенно переводится в разряд бесплатной или цены на нее существенно снижаются. Все большее количество специалистов вовлекается в разработку и осуществление новых международных программ по дистанционному зондированию Земли.

Дистанционное зондирование океанов и морей / А.Г. Костяной

Спутник «Sentinel-3», который будет запущен Европейским космическим агентством в 2013, предназначен для исследования уровня океана, температуры и цвета океана и суши в рамках программы «Глобальный мониторинг окружающей среды и безопасности» (Global Monitoring for Environment and Security (GMES)).

Несмотря на бурный рост потребления спутниковой информации, наиболее эффективная система мониторинга Земли должна базироваться на комплексном использовании спутниковых, авиационных и наземных (морских) видов измерений, а также численного моделирования различных процессов, происходящих в окружающей среде. Поэтому совершенствование методов дистанционного зондирования Земли должно сопровождаться развитием и расширением наземных (морских) средств наблюдений и совершенствованием численных моделей.