В частности, этим протоколом обращается внимание Роскосмоса, Минэкономразвития России, Минрегиона России, Минтранса России и других заинтересованных федеральных органов исполнительной власти на необходимость более эффективного внедрения результатов космической деятельности в различные отрасли экономики Российской Федерации и обеспечения их доступности широкому кругу потребителей. Таким образом, разработка научных основ новых технологий, развития методик космического мониторинга и создание на их базе системы оперативного спутникового контроля состояния и загрязнения российских морей сегодня крайне актуальна.
Эти задачи успешно решаются учеными ведущих институтов Российской академии наук (в том числе авторами данной книги), проводящих исследования морей и океанов методами дистанционного зондирования из космоса. Ими активно разрабатываются новые методы и технологии, позволяющие использовать результаты космической деятельности для решения широкого круга научных, экологических и природопользовательских задач. Полученные авторами результаты уже в настоящий
ВВЕДЕНИЕ
момент востребованы в различных проектах, выполняемых в рамках системы Министерства природных ресурсов и МЧС РФ. Область же применения отдельных решений и разработанных методик и алгоритмов, значительно шире.
Дистанционное зондирование Земли из космоса в последние годы претерпевает бурное развитие, что связано с двумя факторами. Во-первых, эта область космических технологий является второй, после космической связи, где предвидится существенный коммерческий потенциал. Во-вторых, осознанная в последние годы проблема антропогенного влияния на Мировой океан требует создания глобальной сети мониторинга поверхности океана и приводного слоя атмосферы, ключевым элементом которой являются космические средства наблюдения. Значительные финансовые и технические ресурсы, требуемые для развития такой сети, диктуют необходимость широкой международной кооперации. Для того чтобы войти в эту кооперацию, причем не в качестве только потребителя услуг, необходимо опережающее развитие в России новых технологий и средств дистанционного зондирования.
Существенный вклад в создание и внедрение автоматизированных информационных систем дистанционного мониторинга внесли специалисты ИКИ РАН. В Институте активно разрабатываются методы и технологии, позволяющие использовать результаты космической деятельности для решения научных и народнохозяйственных задач (Лупян и др., 2011а). Доведены до практического применения проекты по созданию территориальных и проблемно-ориентированных информационных систем с использованием спутниковых данных для Рослесхоза (Абушенко и др., 2000;
Егоров и др., 2006; Коровин и др., 2010), Росгидромета (Бурцев и др., 2009), Росрыболовства (Нестеренко и др., 2004), Министерства сельского хозяйства РФ (Лупян и др., 2009; 2011б). Созданные технологии обеспечивают контроль над состоянием природных ресурсов на территории России и управление процессами, связанными с их охраной и использованием.
Актуальные вопросы спутникового мониторинга морей и океанов постоянно рассматриваются на Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», которая с 2003 г. ежегодно проводится Институтом космических исследований РАН при поддержке Российской академии наук и Федерального космического агентства (http://d33.infospace.ru/d33_conf/).
С 2004 г. конференция получила название открытой, так как в ее работе принимают участие не только российские ученые, но и специалисты из ведущих научных центров Украины, Белоруссии, Казахстана, Азербайджана, Грузии, а также США, Великобритании, Германии, Испании, Португалии, Монголии, Болгарии и других стран.
Программный комитет конференции возглавляет вице-президент РАН академик Н. П. Лаверов. В работе конференции ежегодно принимают участие свыше 400 ученых из более 100 российских и зарубежных организаций.
Начиная с первой конференции, авторы книги являются организаторами и активными участниками этого Всероссийского научного мероприятия, которое в России стало ведущим в области дистанционного зондирования Земли из космоса. Наибольшее число докладов традиционно представляется на научной секции «Дистанционные исследования океана и ледяных покровов», на которой, в частности, неоднократно отмечалось, что дистанционное зондирование Мирового океана из космоса достигло высокого уровня и является в настоящий момент мощным методом исследования океана. Большой объем накопленных за последнее десятилетие
ВВЕДЕНИЕ
данных дает возможность выявлять глобальные межгодовые и сезонные изменения климатически значимых параметров океана по спутниковым данным. Сложившаяся кооперация ученых из ИКИ РАН, ИО РАН, ГЦ РАН, МГИ НАНУ и др., занимающихся проблемами экологического мониторинга, могла бы составить группу, в задачи которой входили бы оперативная обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и оперативное доведение этой информации до структур, принимающих решения.
Очередным признанием высокого научного уровня конференции стало преобразование ежегодного сборника трудов конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» во Всероссийское периодическое издание под тем же названием, которое с 2011 г. включено в Перечень ведущих периодических изданий Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации (список ВАК).
С 2005 г. в рамках конференции проводится Школа молодых ученых, во время которой ведущие российские и зарубежные ученые читают обзорные лекции по актуальным проблемам развития методов и систем дистанционного зондирования Земли и использования технологий спутникового мониторинга Земли для решения фундаментальных и прикладных задач.
Большой интерес студентов, аспирантов и молодых специалистов, участников Школы молодых ученых, вызывает проблема комплексного спутникового мониторинга морей и океанов. Летом 2010 г. авторы книги, при всесторонней поддержке ИКИ РАН, инициировали новое научное мероприятие для молодых ученых — выездную школу-семинар «Спутниковые методы и системы исследования Земли» в Тарусе Калужской области на базе гостиницы «Интеркосмос» ИКИ РАН.
Первая школа-семинар по теме «Состояние и перспективы мониторинга Мирового океана и морей России по данным дистанционного зондирования и результатам математического моделирования» состоялась 9–12 июля 2010 г., вторая — «Изучение внутренних водоемов дистанционными методами» — 15–20 февраля 2011 г. Материалы выездной Школы-семинара доступны на вэб-сайте ИКИ РАН (http://www.iki.rssi.
ru/earth/index.htm).
Многолетний совместный опыт работы по спутниковому мониторингу, организация и участие во Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» и в выездной школе-семинаре «Спутниковые методы и системы исследования Земли» в Тарусе привели нас к мысли о необходимости объединения усилий в написании книги о результатах работ по комплексному спутниковому мониторингу морей России. За последние 20 лет в России и за рубежом было опубликовано большое количество книг и специальных технических отчетов о спутниках, приборах, методах дистанционного зондирования Земли из космоса, калибровочных экспериментах, сравнении спутниковых данных с данными подспутниковых экспериментов, результатами модельных расчетов и др.
Однако книг о результатах многолетнего спутникового мониторинга морей России оказалось не так много.
Именно в Тарусе сформировалась концепция книги, которая предлагается вашему вниманию. Она состоит из восьми глав, сконцентрированных на мониторинге Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей, — и в частности, на экологических аспектах. Глава 1 посвящена целям и задачам спутникового мониторинга
ВВЕДЕНИЕ
морей России. Во второй главе описываются основы различных спутниковых методов и средства ДЗЗ, приборы и спутники, которые наиболее часто используются для сбора разнообразной информации с поверхности моря. В третьей главе приводятся результаты оперативного комплексного спутникового мониторинга нефтяного загрязнения в районе Кравцовского нефтяного месторождения в юго-восточной части Балтийского моря, который проводился в 2004–2005 гг. Позже этот уникальный опыт был перенесен на Азово-Черноморский бассейн, поэтому в четвертой главе описывается экологическое состояние и степень загрязнения российских секторов Черного и Азовского морей по спутниковым данным за 2006–2008 гг. С 2009 г.
нам предоставлена возможность доступа к данным регулярных радиолокационных наблюдений со спутников Envisat и ERS-2 акваторий Черного, Каспийского и Балтийского морей, что обеспечило возможность постоянного мониторинга нефтяного загрязнения, мезо- и мелко-масштабной динамики вод этих морей. Результаты многосенсорного спутникового мониторинга Черного, Каспийского и Балтийского морей за 2009–2011 гг. приведены в пятой главе. В шестой главе изложены основные сведения о вихревой динамике вод Черного и Каспийского морей, которая существенным образом влияет на перераспределение загрязняющих веществ по их акваториям.
Достаточно длинные ряды спутниковых наблюдений позволяют исследовать некоторые аспекты регионального изменения климата. Одними из основных параметров климатической изменчивости морей и океанов являются температура поверхности и их уровень. В седьмой главе приведены данные о межгодовой изменчивости этих параметров для Черного, Азовского и Каспийского морей. Авторы книги внесли свой вклад в мониторинг морских катастроф в Керченском проливе в 2007 г. и в Мексиканском заливе в 2010 г., которые сопровождались катастрофическими разливами нефти. При ограниченных ресурсах удалось провести оперативный многосенсорный мониторинг развития ситуации в обоих случаях на протяжении несколько месяцев и получить ряд интересных результатов. Поэтому восьмая глава посвящена этому важному опыту оперативного мониторинга объектов, находящихся на значительном расстоянии от центров получения, сбора и анализа спутниковой информации. В заключении даются основные выводы из многолетнего опыта работы авторов по комплексному спутниковому мониторингу морей России.
Авторы выражают глубокую благодарность руководству ИКИ РАН за финансовую поддержку издания данной книги и выездной школы-семинара в Тарусе. Особая благодарность адресована Комаровой Н. Ю. (ИКИ РАН) за подготовку рукописи книги к печати.
В течение последних 20 лет в работе над решением различных задач спутникового мониторинга морей России принимало участие большое число наших коллег из разных организаций России, ближнего и дальнего зарубежья. Сотрудничество с ними в рамках российских национальных и европейских международных проектов было чрезвычайно плодотворно, а их помощь неоценима. В связи с этим мы хотели бы выразить особую признательность и благодарность следующим лицам и организациям:
Бочаровой Т. Ю., Каримовой С. С., доктору технических наук Лупяну Е. А., кандидату физико-математических наук Мазурову А. А., кандидату биологических наук Строчкову А. Я., доктору физико-математических наук, профессору Шаркову Е. А. (Институт космических исследований РАН, Москва, Россия);
ВВЕДЕНИЕ
доктору физико-математических наук Зацепину А. Г., кандидату географических наук Сироте А. М. (Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Москва, Россия);
доктору физико-математических наук, профессору Сабинину К. Д., доктору физико-математических наук Серебряному А. Н. (ФГУП «Акустический институт им. акад. Н. Н. Андреева», Москва, Россия);
доктору физико-математических наук Троицкой Ю. И., доктору физико-математических наук Ермакову С. А., кандидату физико-математических наук Сергиевской И. А. (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия);
кандидату физико-математических наук Кровотынцеву В. А. и сотрудникам отдела обработки спутниковой информации НИЦ «Планета», Москва, Россия;
кандидату географических наук Кривошее В. Г. (Южное отделение Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия);
кандидату физико-математических наук Литовченко К. Ц. (Концерн «РТИ Системы», Москва, Россия);
кандидату физико-математических наук Станичному С. В., Соловьеву Д. М. (Морской гидрофизический институт НАНУ, Севастополь, Украина);
члену-корреспонденту НАНА, доктору географических наук Мамедову Р. (Институт географии НАНА, Баку, Азербайджан);
Dr. Cecilia Ambjorn (SMHI, Norrkping, Sweden);
Dr. Val Byfield (NOCS, Southampton, UK);
Dr. J. Da Silva (University of Lisbon, Portugal);
Dr. Martin Gade (Hamburg University, Germany);
Prof. Jacques Nihoul и Dr. Salim Djenidi (Liege University, Belgium).
За прошедшие годы авторам удалось существенно продвинуться в области дистанционного зондирования океанов и морей и комплексного спутникового мониторинга морей России благодаря финансовой поддержке следующих организаций, которым авторы выражают глубокую благодарность (в алфавитном порядке): Министерство образования и науки РФ; Министерство экономического развития РФ; Росгидромет; Российская академия наук; Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ); Commission of the European Communities; (INTAS).
Особую благодарность авторы выражают Европейскому космическому агентству за данные спутниковой радиолокации высокого разрешения, предоставленные в рамках ряда научных проектов.
Мы надеемся, что эта книга будет интересной и полезной широкому кругу специалистов в области дистанционного зондирования океанов и морей из космоса, океанографии, экологии, защиты окружающей среды, а также преподавателям, аспирантам и студентам профильных высших учебных заведений. Книга адресована также специалистам нефтегазовой отрасли, которые занимаются освоением морских нефтегазовых месторождений, оценками воздействия на окружающую среду, производственным экологическим мониторингом и контролем на стадии проектирования, строительства и эксплуатации различных объектов отрасли на шельфе морей России.
Цели и задачи спутникОвОгО мОнитОринга Необходимость выявлять антропогенные изменения природной среды потребовала организации специальной информационной системы наблюдения и анализа ее состояния, в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере.
Именно такую систему в 1974 г. Ю. А. Израэль предложил называть мониторингом состояния природной среды, а точнее, мониторингом антропогенных изменений окружающей природной среды. В него включаются в качестве основных элементов наблюдения за факторами воздействия и состоянием окружающей среды, прогноз ее будущего состояния и оценка фактического и прогнозируемого состояния природной среды (Израэль, 1979).
Понятие мониторинга в настоящее время используется в самых различных областях деятельности, поэтому смысл, вкладываемый в него, широко варьируется.
Обычно под мониторингом подразумевается регулярная система наблюдений, имеющая целью получение информации, необходимой для осуществления и планирования тех или иных видов деятельности. Основой мониторинга, как правило, является программа, определяющая перечень наблюдаемых показателей, порядок производства наблюдений, содержание создаваемой информационной продукции. Опыт, накопленный в различных областях деятельности, показывает, что при формировании программы мониторинга в обязательном порядке должны учитываться несколько обстоятельств. Во-первых, это правовые основы мониторинга как общественно значимой информационной системы. Во-вторых, — цели и задачи мониторинга, в которых отражено назначение информации, являющейся основной продукцией этой системы. В-третьих, — специфические особенности, присущие явлениям и процессам, выступающим в качестве объекта наблюдений.
В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 219 от 10.04.2007 г.
«Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов» (в ред. Постановлений Правительства РФ от 22.04.2009 г. № 351, от 17.10.2009 г. № 830), организация и осуществление мониторинга проводятся Федеральным агентством водных ресурсов, Федеральным агентством по недропользованию, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с участием уполномоченных органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации.
Г л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА Согласно Постановлению, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды при осуществлении мониторинга поверхностных водных объектов:
• осуществляет регулярные наблюдения за состоянием поверхностных водных объектов в части количественных и качественных показателей состояния водных ресурсов, внутренних морских вод и территориальных морей Российской Федерации, континентального шельфа и исключительной экономической зоны Российской Федерации на базе государственной наблюдательной сети (в ред. Постановления Правительства РФ от 22.04.2009 № 351);
• проводит оценку и прогнозирование изменений состояния поверхностных водных объектов в части количественных и качественных показателей состояния водных ресурсов;
• обеспечивает сбор, обработку, обобщение и хранение сведений, полученных в результате наблюдений за водными объектами, и представление в Федеральное агентство водных ресурсов данных мониторинга поверхностных водных объектов с учетом данных мониторинга, осуществляемого при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, в соответствии с установленными формами и порядком представления данных, а также порядком информационного обмена;
• обеспечивает предоставление федеральным органам исполнительной власти, органам государственной власти субъектов Российской Федерации, органам местного самоуправления, а также юридическим и физическим лицам данных мониторинга поверхностных водных объектов в порядке, установленном Федеральным законом «Об информации, информационных технологиях и о защите информации».
Основные функции в области фонового мониторинга окружающей природной (в том числе морской) среды традиционно были сосредоточены исключительно у специально уполномоченных на то государственных органов. Это нашло отражение во введенном в действие в 2002 г. Законе РФ «Об охране окружающей среды»: «Государственный мониторинг окружающей среды (государственный экологический мониторинг) осуществляется в соответствии с законодательством Российской Федерации и законодательством субъектов Российской Федерации в целях наблюдения за состоянием окружающей среды, в том числе за состоянием окружающей среды в районах расположения источников антропогенного воздействия и воздействием этих источников на окружающую среду, а также в целях обеспечения потребностей государства, юридических и физических лиц в достоверной информации, необходимой для предотвращения и (или) уменьшения неблагоприятных последствий изменения состояния окружающей среды».
В последующем развитие законодательства в этой сфере было связано с конкретизацией различных видов экологического мониторинга, а также с расширением прав и обязанностей хозяйствующих субъектов по его проведению. Наряду с осуществлением мониторинга источников антропогенного воздействия предприятия стали привлекаться к выполнению других видов экологического мониторинга.
В соответствии с Водным кодексом РФ (2006) и Постановлением Правительства РФ № 219 от 10.04.2007 «Об утверждении Положения об осуществлении государГ л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ственного мониторинга водных объектов» (в ред. Постановлений Правительства РФ от 22.04.2009 № 351, от 17.10.2009 № 830), мониторинг включает в себя:
• регулярные наблюдения за состоянием водных объектов, количественными и качественными показателями состояния водных ресурсов, а также за режимом использования водоохранных зон;
• сбор, обработку и хранение сведений, полученных в результате наблюдений;
• внесение сведений, полученных в результате наблюдений, в государственный • оценку и прогнозирование изменений состояния водных объектов, количественных и качественных показателей состояния водных ресурсов.
Существенно расширились понятия о целях, задачах и субъектах реализации фонового мониторинга морской природной среды. Перечень нормативно-законодательных документов, регламентирующих деятельность по организации и проведению такого мониторинга, представлен в отчете (Костяной и др., 2010б).
Функциональной основой комплексного фонового (климатического) мониторинга природной среды морей России является морская наблюдательная система Росгидромета, предназначенная для определения характеристик состояния природной среды морей России и являющаяся составной частью государственной наблюдательной сети.
Морская наблюдательная система — комплекс наблюдений, проводимых с различных наблюдательных платформ унифицированными средствами измерений на основе единой нормативно-методической и правовой базы.
Эта система включает в себя наземную и космическую подсистемы. В состав наземной входят: сеть морских береговых и устьевых гидрометеорологических наблюдений; сеть добровольных и штатных судовых наблюдений; сеть океанографических наблюдений и работ; сеть автоматических буйковых станций — заякоренных и дрейфующих, сеть общегосударственной службы наблюдений за загрязнением морей.
В состав космической подсистемы входит группа российских и зарубежных метеорологических и специализированных спутников, позволяющих делать снимки земной поверхности из космоса, определять уровенную поверхность под маршрутами пролета, температуру воды, содержание взвеси и хлорофилла в поверхностном слое, ряд других гидрометеорологических параметров, а также центры по приему и обработке космической информации.
Основу морской наблюдательной сети морей России составляют стационарные и подвижные пункты наблюдения за состоянием морской природной среды, размещенные на морском побережье, островах, в устьях рек и в открытом море. Они предназначены для получения информации о явлениях и процессах, протекающих в прибрежной зоне моря, на поверхности и в глубинных слоях, о взаимодействии морских процессов с атмосферными процессами, а также для оценки степени загрязнения морской среды.
Основными задачами функционирования морской наблюдательной сети Росгидромета являются:
• проведение регулярных морских метеорологических, морских гидрометеорологических, устьевых, океанографических и специальных гидрометеорологических наблюдений и наблюдений за загрязнением морской среды на основе Г л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА принципов непрерывности (с учетом заданной дискретности), единства и сопоставимости методов наблюдений, сбора, обработки, хранения и распространения полученной в результате наблюдений информации;
• выполнение наблюдений за опасными и стихийными гидрометеорологическими явлениями в морях России;
• проведение первичной обработки результатов всех наблюдений (в том числе и анализа проб воды), передачи в установленном порядке текущей, оперативной и экстренной информации в определенном формате в заданные адреса в соответствии с планом и схемой информационной работы;
• обеспечение информацией о состоянии морской природной среды морей России органов государственной власти, Вооруженных Сил Российской Федерации, а также населения;
• обеспечение государственных органов экстренной информацией о возникновении и развитии опасных и стихийных морских гидрометеорологических явлений, об экстремальных уровнях загрязнения морской среды морей России, в том числе обеспечение специальной информацией при проведении аварийно-спасательных работ и мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера на морском побережье Полученная в результате функционирования морской наблюдательной сети информация о состоянии природной среды морей России в виде гидрометеорологических, ледовых, океанографических и других данных, используется в обслуживании информационных потребностей различных областей экономики, военно-морского флота, морского транспорта, рыбного промысла, разведки и эксплуатации морских месторождений нефти и газа, проектирования и строительства морских гидротехнических сооружений.
Морская наблюдательная сеть является также базой экспериментальных наблюдений, опытной эксплуатации новых технических средств измерений, апробации новых методик наблюдений, подготовки специалистов по морской гидрометеорологии и океанографии.
Кроме того, для мониторинга морей России применяются летательные и космические аппараты (КА). Летательные аппараты используются для океанографических наблюдений и работ для быстрого получения данных о распределении на больших акваториях температуры поверхности моря с помощью радиометров, морских льдов с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛСБО), для аэрофотосъемок волнения, исследования циркуляции и переносов вод, профилей водной поверхности в прибрежной зоне моря (с применением лазерного профилографа), признаков загрязнения вод.
Космические аппараты находят широкое применение в практической океанографии для получения информации о распределении температуры поверхности моря, морских льдов, динамики вод, вихревых структур, взвесей, фитопланктона, нефтяных загрязнений и др. Спутниковая альтиметрия позволяет получать продольные профили уровенной поверхности моря и осуществлять мониторинг изменений уровня моря. Использование метода спутниковой геодезии на основе глобальной системы позиционирования GPS позволяет при наблюдениях уровня моря учитывать вертиГ л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА кальные движения земной коры и обеспечивать привязку уровенных наблюдений к единой высотной основе.
Однако в настоящее время комплексные фоновые мониторинговые наблюдения природной среды морей России в условиях резкого уменьшения государственного финансирования в значительной степени сократились. Авиационные и космические средства практически не используются из-за отсутствия современных специально оборудованных летательных аппаратов и отечественных природно-ресурсных спутников. По словам бывшего руководителя Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды А. И. Бедрицкого: «…сегодня мы пользуемся только зарубежными спутниками, причем отслеживать нефтяные загрязнения в оперативном режиме мы не можем…» (Интернет-конференция в Центре информационных технологий компании «Гарант» 18 августа 2008 г., http://www.garant.ru/action/ conference/10079/).
В то же время европейские страны проводят регулярный мониторинг экологического состояния и нефтяных загрязнений в Средиземном, Северном и Балтийском морях с помощью специально оборудованных самолетов, кораблей и спутников.
Поскольку регулярного воздушного контроля нефтяного загрязнения морей России давно не проводится, то спутниковый мониторинг для Российской Федерации является основным методом контроля морской среды за пределами портов и нефтяных терминалов. Он позволяет ежедневно отслеживать появление нефтяных загрязнений на обширной акватории одновременно, включая территориальные воды сопредельных стран, что особенно важно в случае трансграничного переноса загрязнений течениями. Ежедневный и оперативный мониторинг позволяет достаточно часто выявлять виновников загрязнения и отличать так называемые «чужие» загрязнения от «собственных», что крайне важно вблизи морских границ сопредельных государств. Проблемы в корректном детектировании нефтяных пятен на морской поверхности минимизируются благодаря комплексному (мультисенсорному и междисциплинарному) подходу к оперативному спутниковому мониторингу нефтяного загрязнения морей, включающему совместный анализ разнообразной спутниковой, океанографической и метеорологической информации. И, наконец, комплексный подход подразумевает прогноз дрейфа и трансформации нефтяных пятен, что требует наличия специализированных оперативных численных моделей. Впервые в России такой комплексный подход был реализован авторами на практике для мониторинга добычи нефти на Кравцовском нефтяном месторождении в юго-восточной части Балтийского моря в 2004–2005 гг. (см. гл. 3).
Спутниковые методы широко и активно используются для мониторинга Мирового океана и в настоящее время играют важную роль в создаваемой Глобальной системе наблюдения за океаном (ГСНО) (UNESCO, 2003). Наиболее информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных установленными на космических аппаратах и работающими в разных частотных диапазонах приборными комплексами. Ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.
Г л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА Активные и пассивные сенсоры способны детектировать видимую, инфракрасную и микроволновую области электромагнитного спектра, которые используются для измерения четырех основных параметров океанов и морей: цвета, температуры, высоты и шероховатости морской поверхности. Измерения этих параметров позволяют извлечь следующую информацию (более подробно это изложено в гл. 2):
• микроволновые сенсоры (альтиметры, скаттерометры, радары с синтезированной апертурой) используются для определения высоты морской поверхности, уровня океанов и морей, высоты волн, скорости приводного ветра, наблюдения за ледяным покровом и нефтяным загрязнением. Микроволновая радиометрия позволяет определять солёность поверхностных вод, однако, пока еще с точностью, не достаточной для решения большинства задач в океанографии;
• 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 пр. Оптический диапазон позволяет наблюдать скопления и кромку льда, айсберги, и при определенных условиях — нефтяные загрязнения;
• 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.
Область применения данных дистанционного зондирования, получаемых со спутников, применительно к морям и океанам, чрезвычайно широка и далеко не исчерпывается приведенным ниже списком:
• широкий круг задач в области охраны окружающей среды;
• мониторинг уровня и динамики вод различных частей морей и океанов;
• 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;
• оперативное картографирование и изучение температурного режима морей • оперативное картографирование и изучение ареалов распространения взвешенного вещества;
• анализ распространения и динамики размещения фитопланктона в целях определения биопродуктивности моря и цветения вод;
• отслеживание ледовой и снеговой обстановки на суше и на море;
• мониторинг уровня, стока и дельт крупных рек;
• изучение облачного покрова, мониторинг опасных атмосферных явлений, скорости ветра и высоты волн;
• мониторинг природных и антропогенно-спровоцированных катастроф на региональном уровне, лесных пожаров, наводнений;
• создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:2000;
• широкий круг задач в области изучения глобального и регионального изменения климата.
Многие годы эти задачи успешно решаются учеными ведущих институтов Российской академии наук, проводящих исследования морей и океанов методами дистанционного зондирования из космоса. Ими активно разрабатываются методы и технологии, позволяющие использовать результаты космической деятельности для решения широкого круга научных, экологических, природопользовательских и природоохранных задач. Результаты работ соответствуют мировому уровню. Многие из них получены при выполнении международных проектов, неоднократно обсуждались на конференциях и симпозиумах, а руководители работ стали признанными за рубежом специалистами в области дистанционного зондирования океана из космоса.
Практические результаты в области мониторинга экологического состояния морей России, динамики вод, уровня и температурного режима морей в настоящий момент востребованы крупнейшими частными и государственными организациями.
Некоторые из этих примеров приведены в следующих главах книги.
При проведении спутникового мониторинга морей России, особенно оперативного мониторинга, авторами учитывался положительный и негативный опыт его проведения за рубежом. На рис. 1.1 (см. с. 22) представлена общая принципиальная схема спутникового мониторинга кризисных ситуаций, которая может быть применена к любому району Мирового океана. Она включает в себя спутники, наземные приемные станции, центры обработки спутниковой информации, океанологические институты и метеорологические центры. Вместе с информацией с самолетов и судов, спутниковая, океанографическая и метеорологическая информация поступает в Центр мониторинга, где происходит комплексный анализ всей информации, идентификация загрязнений, делается прогноз на развитие ситуации. Эти данные поступают в Кризисный центр, который управляет ситуацией, и на борт судов, находящихся в море на месте проведения работ. Следует, однако, учитывать, что это схема «идеальная» и, как показывает практика, плохо работает в случае именно кризисных ситуаций, когда требуется максимальная оперативность в действиях всех служб. Для рутинного ежедневного мониторинга акваторий (вне зависимости от наличия загрязнений) она тоже не годится, поскольку слишком дорогостояща.
Так, во время ликвидации последствий аварии на танкере «Престиж» адмирал ВМС Франции Жак Геербрант, морской префект Атлантики, руководивший всей операцией, был недоволен тем, что проанализированные спутниковые изображения нефтяного загрязнения кризисный центр получал через 48 ч после пролета спутников (Le Monde, 13 ноября 2003 г.). Та же ситуация повторилась в июле 2006 г. у берегов Ливана, когда в результате налета израильской авиации были разрушены нефтехранилища в районе Бейрута и в Средиземное море попало 15 тыс. т нефти (Kostianoy, 2008). О масштабах загрязнения не было известно несколько суток, причем отсутствие Г л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА Р и с. 1.1. Общая схема спутникового мониторинга кризисных ситуаций информации вызвало озабоченность даже правительства Кипра. Ситуация вновь повторилась в Мексиканском заливе, когда 20 апреля 2010 г. произошла авария на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon компании British Petroleum (BP) (Лаврова, Костяной, 2010). Спутниковые оптические изображения района аварии были получены практически сразу, а полноценную радиолокационную съемку, которая и позволяет обнаруживать нефтяные загрязнения, удалось организовать только 25 апреля. Во всех этих случаях, из-за отсутствия постоянного комплексного спутникового мониторинга, было потеряно значительное время (несколько суток) для организации работ по ликвидации аварий и катастрофических разливов нефти.
Это происходило по нескольким причинам: рутинный ежедневный мониторинг района аварии не велся, и его пришлось организовывать с нуля, в том числе и делать экстренный заказ на радиолокационную съемку района аварии; очень часто местные власти (в данном случае Испания и Ливан) не обладают всеми составными частями, указанными в схеме мониторинга (см. рис. 1.1), поэтому для его организации пришлось обращаться за помощью к другим странам и Европейскому космическому агентству; национальные и международные организации, привлеченные к мониторингу, начали работать в районе аварии (сбор оперативной океанографической и метеорологической информации, численное моделирование) также практически с нуля; в результате, на организацию и согласование работ между составными частями мониторинга ушло слишком много времени, даже при том, что произошли катаГ л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА строфы европейского и американского масштаба, в ликвидации которых были задействованы десятки национальных и международных организаций.
Забегая вперед, отметим, что, по нашему опыту оперативного мониторинга нефтяного загрязнения юго-восточной части Балтийского моря (см. гл. 3), аварий такого масштаба не возникало, но в ряде кризисных ситуаций, связанных с обнаружением нефтяных пятен вблизи платформы или российских берегов, первичная информация о загрязнении поступала в ООО «ЛУКОЙЛ-Калининградморнефть» уже через 4 часа после пролета спутника. Такая оперативность была достигнута благодаря: упрощенной схеме мониторинга (рис. 1.2, см. с. 24), в которой специалисты в области разных спутниковых методов наблюдений, обработки данных, радиолокации, океанографии, метеорологии, динамики вод, численного моделирования были собраны в одном Центре мониторинга; спутниковой радиолокационной съемке, которая велась постоянно во всех пролетах спутника Envisat над акваторией Балтийского моря, вне зависимости от аварий или наличия загрязнений; ежедневному комплексному мониторингу, который включал сбор не только разнообразной спутниковой информации о состоянии моря, но и метеорологических и океанографических данных; круглосуточному оперативному доступу к численной модели дрейфа нефтяных пятен Seatrack Web Шведского института метеорологии и гидрологии.
На рис. 1.2 представлена схема спутникового мониторинга, использованная авторами при мониторинге нефтяной платформы Д-6. Ее же с небольшими модификациями предлагалось использовать и для организации оперативного комплексного экологического мониторинга строительства газопровода «Норд Стрим». Принципиальное отличие заключается в необходимости организации двухсторонней оперативной связи с руководством работ на борту судна (красные стрелки). Это значительно повысило бы оперативность и эффективность спутникового мониторинга. В представленной схеме не указана возможность оперативного оповещения иностранных государств или международных организаций о наблюдаемом загрязнении, поскольку этот вопрос является прерогативой заказчика работ и принятие решения о передаче информации в том или ином объеме лежит на нем.
Как показывает опыт, спутниковый мониторинг должен базироваться на надежной, быстрой и оперативной связи между всеми соисполнителями. Это подразумевает наличие: высокоскоростного Интернета у всех соисполнителей; собственного Интернет-сервера для перекачки больших объемов данных; отлаженной системы взаимодействия и оповещения, включающей телефон, мобильную связь и электронную почту; ежедневного почасового графика выполняемых работ.
Необходимо предусмотреть дублирование всех систем мониторинга: работы операторов; анализа данных; связи — мобильный, городской и домашний телефоны, наличие адресов электронной почты у разных провайдеров; запасной Интернет-сервер для обмена данными; наличие различных видов доступа в Интернет (по выделенной линии, по телефонной линии через модем, мобильную связь).
На борту судна (платформы) необходимо организовать ежедневную запись информации о гидрометеорологических условиях и обо всех судах, проходящих на расстоянии действия судового радара (время, скорость, тип и название судна, его маршрут и т. д.). С той же целью необходимо иметь доступ к Системе автоматической идентификации судов (AIS) и вести записи о нахождении судов в зоне спутникового мониторинга.
Г л а в а 1. ЦЕлИ И ЗАДАЧИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА Р и с. 1.2. Схема спутникового мониторинга, которая была использована при мониторинге нефтяного загрязнения в районе платформы Д-6 в юго-восточной части Балтийского моря в 2004–2005 гг. и предложена для мониторинга строительства газопровода «Норд Стрим» в Более детально требования к составу, структуре и параметрам функционирования комплексной системы мониторинга (в том числе спутникового) районов разработки и транспортировки углеводородных ресурсов на шельфе морей России представлены в одном из отчетов Министерству экономического развития Российской Федерации в рамках ФЦП «Мировой океан» (Костяной и др., 2010б).
Таким образом, спутниковая информация имеет важное практическое значение для рационального и экологически чистого природопользования при реализации проектов нефтегазовой отрасли в прибрежно-шельфовых зонах морей России, для мониторинга экологического состояния и прогноза эволюции экосистемы морей, рыболовства, оценки регионального изменения климата, информационного обеспечения экологической безопасности хозяйственной деятельности в морях России.
метОды и средства спутникОвОгО мОнитОринга мОрскОй пОверхнОсти 2.1. спутникОвая радиОлОкаЦия мОрскОй пОверхнОсти В настоящее время радиолокационное (РЛ) зондирование в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне является одним из основных методов дистанционного исследования как океанических процессов, так и процессов взаимодействия океана и атмосферы. С точки зрения получения океанологической информации о мгновенном состоянии океана, радиолокационная съемка океана из космоса предоставляет следующие преимущества:
• возможность круглосуточной работы благодаря использованию активного зондирования, причём характеристики изображения от времени суток не зависят;
• возможность всепогодной съёмки, так как атмосфера практически прозрачна для используемого в радиолокации микроволнового излучения;
• диэлектрические свойства воды в микроволновом диапазоне однородны, что позволяет считать вариации рассеянного сигнала связанными только с геометрическими параметрами возмущений и тем самым облегчает интерпретацию Можно сказать, что уникальным свойством радиолокационной съемки по сравнению с оптической является возможность получать изображение с высоким пространственным разрешением (вплоть до нескольких метров) в широкой полосе обзора независимо от естественной освещенности (времени суток и года) и облачного покрова.
2.1.1. Основные сведения о радиолокаторах, используемых для аэрокосмического наблюдения океана Активное дистанционное зондирование земной поверхности основано на измерении вариаций рассеянного излучения. При использовании в дистанционном зондировании океана радиолокационной станции (РЛС) — это может быть радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА) спутникового базирования или установленная на самолете радиолокационная станция бокового обзора (РЛСБО) — информация о параметрах подстилающей поверхности содержится в функции отражения, которая наблюдается в виде отраженной от взволнованной морской поверхности электромагнитной волны в зоне приемной антенны. Функция отражения определяется не только свойствами самой поверхности, но и условиями ее формирования, т. е. системой испускаемых и принимаемых сигналов. РЛ-образ морской поверхности зависит от диапазона зондирования, поляризации излучения и угла падения зондирующего сигнала.
Излучающее устройство радиолокатора испускает электромагнитную волну.
Ее характеристиками являются: длина ; частота — величина f = С/, где С — скорость распространения электромагнитных волн в среде (в вакууме 3·108 м/с); волновой вектор, указывающий направление распространения волны, а также поляризация электромагнитной волны. Последнее свойство очень важно, поскольку от ориентации плоскости поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент отражения волны.
Для изучения океана используются радиолокаторы с длинами волн от 1,11 см (частота f = 27 ГГц) до 30 см (частота f = 1 ГГц). Обычно подобные радиолокаторы работают в импульсном режиме, хотя иногда применяется и непрерывное излучение.
В табл. 2.1 приведены традиционные обозначения частотных диапазонов. Эти обозначения сложились на Западе в ходе Второй мировой войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным стандартом ITU.
X 8–12 ГГц 2,50–3,75 см РСА на борту спутника TerraSAR-X (Германия) Ku 12–18 ГГц 1,67–2,50 см Ледовая разведка, картографирование высокого В практике радиолокационного зондирования Земли используются зондирующие сигналы с различной поляризацией (горизонтальной или вертикальной). Плоскость, проходящая через направление распространения электромагнитной волны и направление вектора электрического поля, называется плоскостью поляризации.
Если плоскость поляризации в данной точке пространства сохраняет фиксированное положение, то волну называют плоско или линейно поляризованной. Поляризация излучения определяется ориентацией вектора электрического поля Е в плоскости,
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Р и с. 2.1. Вектор электрического поля при вертикальной (V) и горизонтальной (H) поляризациях зондирующего сигнала перпендикулярной направлению распространения радиоволны. При горизонтальной поляризации излучения вектор электрического поля ЕH параллелен подстилающей поверхности. При вертикальной поляризации вектор излучения ЕV направлен под углом падения к местной вертикали (рис. 2.1).
В зависимости от конструктивных особенностей и режима работы РЛС приемопередающие системы могут осуществлять излучение и прием:
• на вертикальной (VV) поляризации;
• горизонтальной (HH) поляризации;
• перекрестных поляризациях (VH и HV).
Мощность обратно-рассеянного сигнала, попадающего в приемную антенну РЛС, зависит от поляризации излучения и от взаимного направления поляризаций при излучении и приеме. В общем случае коэффициент рассеяния водной поверхности при вертикальной поляризации выше, чем при горизонтальной и перекрестных поляризациях.
Вертикальная поляризация применяется для изучения широкого класса процессов и явлений, которые проявляются на морской поверхности посредством модуляции гравитационно-капиллярной составляющей спектра поверхностного волнения.
Горизонтальная поляризация, будучи менее чувствительной к вариациям мелкомасштабной шероховатости морской поверхности, широко применяется для наблюдения морских льдов и разделения РЛ-образов ледяного покрова и открытой воды.
Поскольку интенсивность рассеяния морской поверхностью существенно понижается при использовании излучения и приема на перекрестных поляризациях (VH и HV), такие режимы используются для выделения на морской поверхности объектов, обуславливающих многократное рассеяние, таких, например, как корабли и деформации ледяного покрова (торосы, трещины, расколотый лед).
Влияние выбора поляризации иллюстрируется рис. 2.2 (см. с. 29), где представлены изображения, полученные одновременно, но при разных поляризациях отраженного сигнала. Радиолокационное изображение (РЛИ), приведенное на рис. 2.2а, получено при VV-поляризации. На нем отчетливо выделяются поверхностные проявления атмосферных явлений, в частности, внутренних волн в атмосфере. Суда на их фоне выделить довольно сложно, особенно при автоматическом детектировании. РЛИ, представленное на рис. 2.2б, получено на перекрестной VH-поляризации; на нем полностью отсутствуют поверхностные проявления океанических и атмосферных процессов, зато отчетливо выделяются радиолокационные образы судов (Лаврова и др., 2006).
Спутниковые радиолокаторы первого поколения обладали возможностью съемки на одной фиксированной поляризации зондирующего сигнала, либо горизонтальной (HH) — РСА спутников «Алмаз-1», RADARSAT-1, Seasat, JERS-1, либо вертикальной (VV) — РСА спутников ERS 1/2.
Р и с. 2.2. Фрагмент изображения Envisat ASAR от 27.08.2005, 19:13 UTC:
Р и с. 2.3. РЛИ, полученное 04.10.1994, 20:25 UTC сенсором SIR-C/X-SAR
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Спутниковые радиолокаторы нового поколения, установленные на спутниках Envisat, RADARSAT-2 и TerraSAR-X, обладают возможностью проводить съемку в различных режимах: VV, HH, VV/HH, VV/VH, HH/HV.
Высокоинформативным инструментом исследования земной поверхности и океана при помощи радиолокационного зондирования из космоса стал радиолокатор с синтезированной апертурой SIR-C/X-SAR, установленный на космическом челноке Endeavor. Антенна этой радиолокационной станции состояла из трех модулей, один из которых работал в L-диапазоне (длина волны 23,5 cм), второй — в C-диапазоне (длина волны 5,8 cм), а третий — в X-диапазоне (длина волны 3 cм).
При этом изображения L- и C-диапазонов регистрировались одновременно для вертикальной, горизонтальной и перекрестной поляризаций зондирующего сигнала.
В качестве примера на рис. 2.3 (см. с. 29) приведено РЛИ, полученное сенсором SIR-C/X-SAR одновременно в трех диапазонах и при различных поляризациях зондирующего сигнала. Ширина каждого фрагмента — 21 км. В полосе обзора на морской поверхности находятся нефтяное загрязнение, деформированное под воздействием ветра, и свежий сброс с движущегося судна.
2.1.2. геометрия радиолокационной съемки Радиолокаторы бокового обзора. На самолетах обычно устанавливают радиолокационные станции бокового обзора. Антенна такой станции вытягивается вдоль фюзеляжа самолета и обеспечивает боковое «видение». Совместим ось x с направлением движения самолета, а ось y направим перпендикулярно оси x (рис. 2.4).
Разрешение РЛСБО в боковом направлении (по наклонной дальности) опредеc ляется длительностью импульса : y =, где c — скорость света; — угол зонsin дирования. При типичной длине импульса = 0,1 мкс и высоких углах зондирования разрешение по наклонной дальности составит примерно 15 м.
Разрешение же в продольном направлении, т. е. в направлении полета (ось x), зависит от угловой (азимутальной) ширины диаграммы направленности, которая установленной на самолете-лаборатории: H — высота полета; W — ширина полосы обзора; R — наклонная дальность; — угол падения, отсчитываемый от вертикали и номинальной высоте полета 2 км имеем 1/300 рад, элемент разрешения x на расстоянии y = 10 км от оси полета составит x = y /2 = 15 м. Таким образом, в рассмотренном примере элемент разрешения (пиксел) на плоскости x, y имеет размер 1515 м.
При установке РЛСБО на спутнике размеры элемента разрешения в продольном направлении (ось x) заметно возрастают по причине увеличения наклонной дальности R, которая составляет, в зависимости от высоты орбиты, 400–1000 км. Так, РЛСБО, установленная на спутнике «Океан-О», имела разрешение 13002000 м.
Радиолокаторы с синтезированной апертурой. Разрешение x в продольном направлении можно улучшить, если использовать технику «синтезирования апертуры».
Этот метод предусматривает специальную когерентную (т. е. с сохранением фазы) обработку рассеянных сигналов в течение некоторого времени t, за которое самолет или спутник, движущийся со скоростью v, пролетает расстояние v t. Расстояние Lсинт = v t играет роль длины синтезированной антенны и может в сотни и тысячи раз превышать физические размеры бортовой антенны La.
При Lсинт = 5 км, длине волны 5 см и наклонной дальности R = 1000 км разрешение x, оцененное с помощью приведенной выше формулы, составит 5 м. Весьма высокое разрешение радиолокаторов с синтезированной апертурой сочетается со способностью работать в условиях облачности и в темное время суток. В этом их главное преимущество перед приборами видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов.
Краткие сведения о спутниковых РСА как первого поколения, так и функционирующих на орбите в настоящее время, даны в табл. 2.2 (см. с. 32). Более полная информация о спутниковых радиолокаторах приведена в работах (Верба и др., 2010;
Jackson, Apel, 2002a).
2.1.3. радиолокатор с синтезированной апертурой ASAR космического аппарата Envisat В настоящее время РСА установлены на европейских спутниках ERS-2 и Envisat, на канадских RADARSAT 1/2, а также на немецких TerraSAR-X и TanDEM-X. Данные спутников RADARSAT 1/2, TerraSAR-X и TanDEM-X распространяются исключительно на коммерческой основе. Наиболее доступны и пригодны для целей регулярного мониторинга различных акваторий на сегодняшний день данные радиолокаторов, установленных на европейских спутниках Envisat и ERS-2. Однако космический аппарат ERS-2 находится на орбите с 1995 г., практически полностью исчерпал свой ресурс и в ближайшее время может быть отключен.
Улучшенный радиолокатор с синтезированной апертурой ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar), установленный на спутнике Envisat, использует фазированную антенную решетку с углом падения лучей от 15 до 45°. Съемка выполняется в С-диапазоне длин волн (5,6 см) в пяти различных режимах поляризации (VV, HH, VV/HH, HV/HH, VH/VV). Полученные этим сенсором радиолокационные данные находят применение для мониторинга нефтяных пятен и льда на поверхности моря, определения местоположения судов, исследования различных океанских явлений сигнала, ГГц щего сигнала (см) наземной дальности, км
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
(течений, фронтов, вихрей, внутренних волн), процессов в атмосфере над океаном (внутренние гравитационные волны, конвекция, атмосферные фронты и вихри) и других целей. Конструкция радиолокатора предусматривает возможность проведения съемок в различной по ширине полосе обзора и с различным пространственным разрешением, позволяя пользователю выбрать режим работы, соответствующий характеру решаемых задач. Характеристики основных режимов работы сенсора ASAR ИСЗ Envisat приведены в табл. 2.3.
Т а б л и ц а 2.3. Характеристики режимов работы сенсора ASAR ИСЗ Envisat Swath Mode) (Global Monitoring Mode) Съемка в широкой полосе обзора Wide Swath Mode (WSM) предоставляет возможность проведения съемки в полосе обзора 400 км с пространственным разрешением 150150 м на одной из выбранных поляризаций зондирующего сигнала (VV или HH) и позволяет получать радиолокационные изображения одного и того же района подстилающей поверхности с периодом повторных наблюдений от 1 дня в полярных регионах до 1 недели на экваторе. Геометрия радиолокационной съемки в режиме широкой полосы обзора представлена на рис. 2.5.
Режим двухполяризационной съемки (Alternating Polarisation Mode) позволяет получать одновременные пары изображений подстилающей поверхности, сформированные при различных сочетаниях поляризаций излученного и принятого радиолокационных сигналов, а именно VV/HH, HH/HV и VV/VH в полосе обзора 100 км и с пространственным разрешением до 30 м. Геометрия радиолокационной съемки в режиме двух по- Р и с. 2.5. Получение изображения ляризаций показана на рис. 2.6 (см. с. 34).
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Р и с. 2.6. Получение изображения Р и с. 2.7. Получение изображений с выпри двух поляризациях зондирующего соким пространственным разрешением в Т а б л и ц а 2.4. Геометрические характеристики изображений с высоким разрешением Номер полосы Ширина полосы, Расстояние от воображаемой Диапазон углов наблюдения, При проведении съемки в узкой полосе обзора (Image Mode) фазированная антенная решетка путем изменения угла излучения зондирующего сигнала позволяет выбрать любую из 7 полос и получать изображение с высоким пространственным разрешением (3030 м) на одной из выбранных поляризаций (VV) или (HH) размером от 56 км (7-я полоса) до 100 км (1-я полоса). Геометрия радиолокационной съемки в режиме узкой полосы обзора представлена на рис. 2.7, а основные геометрические характеристики съемки для различных полос сведены в табл. 2.4.
2.1.4. Основные механизмы формирования радиолокационных изображений морской поверхности Электромагнитные волны СВЧ-диапазона проникают в воду не более чем на несколько миллиметров, но протекающие в океане процессы визуализируются благодаря своим поверхностным проявлениям. Поэтому радиолокационные изображения поверхности океана, полученные с космических и авиационных носителей, несут информацию о явлениях, происходящих не только в приповерхностном слое, но и в глубине океана.
Отраженный от поверхности океана РЛ-сигнал обусловлен рассеянием брэгговского типа на ряби — коротких гравитационно-капиллярных волнах на морской поверхности, возбуждаемых приповерхностным ветром. Атмосферные и внутриокеанические процессы тем или иным способом модулируют эти гравитационно-капилярные волны, что проявляется в модуляциях интенсивности радиолокационного сигнала. Различные структуры на поверхности океана становятся видимыми благодаря тем или иным механизмам модуляции ряби, главным образом — течениям и поверхностно-активным веществам (ПАВ), влияющим на поверхностное натяжение жидкости. Таким образом, радиолокационные изображения поверхности океана могут визуализировать движения как в самом океане, так и в атмосфере над ним. Это своего рода природная камера Вильсона, делающая возможным наблюдение эффектов, скрытых от глаза. Огромное преимущество волн СВЧ-диапазона перед электромагнитными волнами других диапазонов состоит в том, что они проникают через облачный покров, обеспечивая круглосуточное и всепогодное наблюдение океана. Еще одно преимущество СВЧ-радиоволн, важное для задач дистанционной диагностики океана, заключается в том, что эти волны резонансным образом взаимодействуют с коротковолновой компонентой поверхностного волнения и тем самым визуализируют такие движения в океане, которые недоступны для наблюдения в других диапазонах электромагнитного спектра.
Эффективность применения космических средств дистанционного зондирования в большой мере зависит от наличия адекватных моделей, связывающих характеристики принимаемого спутниковым прибором микроволнового излучения с параметрами морской поверхности и атмосферы над ней.
Резонансный (брегговский) механизм рассеяния. В диапазоне СВЧ вода представляет собой проводящую жидкость с диэлектрической проницаемостью вещественная и мнимая части которой зависят от частоты. По своей величине значения и сопоставимы друг с другом — скажем, на длине волны = 3 см = 49,3 + i39,5 (Шутко, 1986). Достаточно высокие значения и i позволяют в первом приближении считать воду идеальным проводником.
Величины и весьма слабо зависят от температуры и солёности воды, так что сечение радиолокационного рассеяния зависит, прежде всего, от формы поверхности и лишь в малой степени — от других факторов.
При зондировании под умеренными углами (18–50°) и в отсутствии длинных поверхностных волн основной вклад в формирование обратного рассеяния вносит брегговское резонансное рассеяние. Общепринятая резонансная теория рассеяния
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
радиоволн основана на использовании метода малых возмущений. В рамках метода возмущений высота неровностей поверхности z = () считается малой по сравнению с длиной электромагнитной волны : z, так что в уравнениях Максвелла возникает малый параметр = k 1 (здесь = (x, y) — двумерный вектор в плоскости x, y; = 2 — среднеквадратичное возмущение поверхности). Волновое поле E = Eпад + Eотр, представляющее собой сумму падающей (Eпад) и рассеянной (Eотр) волн, можно разложить в ряд по параметру с использованием условия перпендикулярности суммарного поля E границе хорошо проводящей жидкости. Интенсивность ведущего члена ряда (приближение однократного рассеяния) удобно характеризовать удельным сечением рассеяния, которое является безразмерной величиной (сечение рассеяния, измеряемое в квадратных метрах, отнесено здесь к единице площади).
Упрощенное выражение для удельного сечения рассеяния на горизонтальной поляризации (Басс, Фукс, 1972; Рытов и др., 1978) имеет вид:
где k = 2/ — волновой вектор зондирующей волны; — угол падения, отсчитываемый от вертикали. Величина F(q), представляющая собой спектральную плотность неровностей, связана преобразованием Фурье с корреляционной функцией неровностей Через q здесь обозначена горизонтальная (в плоскости x, y) компонента вектора рассеяния kрас – kисп, равного разности между волновым вектором рассеянной волны kрас и волновым вектором первичной волны kисп. При рассеянии строго назад, когда kрас = –kисп, имеем q = 2kисп (kисп — горизонтальная компонента вектора kисп), откуда для модуля q получаем Величине q соответствует пространственная гармоника поверхностного возмущения = 2/q. В силу (2.4) эта гармоника связана с длиной электромагнитной волны = 2/k соотношением известным как соотношение Вульфа – Брегга.
Это соотношение определяет резонансную длину волны возмущения, которая селективно преобразует первичную волну, падающую под углом, в рассеянную волну, идущую в обратном направлении (Кравцов и др., 2000).
Для характерных углов зондирования 20–26° длина резонансной компоненты поверхностного волнения наиболее распространенных частотных диапазонов такова:
• 3,9±0,5 см — X-диапазон (длина зондирующей волны 23 см);
• 7±1 см — С-диапазон (длина зондирующей волны 5,7 см);
• 30±4 см — L-диапазон (длина зондирующей волны 23 см).
Следует отметить, что, согласно (2.5), с увеличением угла зондирования возрастает и длина резонансной компоненты поверхностного волнения.
Схематично механизм формирования брегговского резонансного рассеяния изображен на рис. 2.8.
Двухмасштабная модель рассеяния. Спектр морского волнения принято делить на две компоненты — крупномасштабную и мелкомасштабную. К крупномасштабной относят волны, длина которых превышает 1 м. Гравитационно-капиллярные волны сантиметрового и отчасти дециметрового масштаба, так называемую «рябь», относят к мелкомасштабной компоненте. Двухмасштабную или композитную модель морской поверхности квалифицируют также как «рябь на крупной волне» (рис. 2.9).
Влияние ряби учитывают в рамках теории возмущений (брегговский механизм рассеяния), а влияние крупномасштабной компоненты — изменением наклона поверхности. В результате мелкомасштабная компонента волнения (ее «сантиметровая»
часть) оказывается ответственной за обратное рассеяние радиолокационных сигналов, а крупномасштабная — за пространственную модуляцию рассеянных сигналов.
Такой комбинированный подход известен как двухмасштабная модель рассеяния.
Р и с. 2.8. Механизм формирования резонансного рассеяния радиолокационного сигнала на взволнованной морской поверхности: — длина зондирующей волны; — длина резонансной компоненты спектра поверхностного волнения; — угол между направлением зондирования Р и с. 2.9. Схематичное представление двухмасштабной модели поверхности
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Длинноволновая компонента различным образом воздействует на рассеяние.
Во-первых, длинноволновая компонента меняет локальный угол падения, так что угол в формуле (2.4) будет промодулирован крупными волнами. Этот эффект получил название «модуляция уклонами длинных волн».
Во-вторых, спектр ряби испытывает на себе воздействие локальных течений, индуцированных крупной волной. Дело в том, что частицы жидкости, участвующие в волновом процессе, движутся по эллиптическим траекториям, что и создает течения на поверхности жидкости. Эти течения растягивают и модифицируют гравитационно-капиллярные волны, если токи жидкости и капиллярные волны движутся в одном и том же направлении, и сжимают волновые пакеты капиллярно-гравитационных волн при движении в противоположном направлении. Такие эффекты могут быть описаны при помощи уравнения сохранения волнового действия и к ним применимо обобщенное название «гидродинамическая модуляция». Более подробно эти вопросы рассматриваются в работах (Басович, Таланов, 1977; Troitskaya, 1994; Горшков и др., 2003; Alpers, 1983).
В-третьих, согласно (Plant, 1997; Zavorotny, Voronovich, 1998), вблизи вершины крупных волн образуется цуг ветро-независимых волн капиллярно-гравитационной части спектра. В работе (Plant, 1997) последние названы «связанными» брэгговскими волнами, чтобы отличить их от «свободных» брэгговских волн, под которыми подразумеваются капиллярно-гравитационные волны, возбужденные ветром. В результате действия указанных процессов крупная волна модулирует спектр ряби, что и создает предпосылки для «проявления» крупномасштабной компоненты поверхностного волнения на радиолокационных изображениях.
Рассмотренные механизмы модуляции дают наблюдаемый эффект, если длина крупных волн превышает элемент разрешения РЛС. При разрешении x 30 м это условие реализуется только для достаточно длинных волн зыби, скажем, для поверхностных волн с длиной 60–100 м. Следует также отметить, что модуляция ряби может происходить посредством модуляции ветрового инкремента (Троицкая, 2000) и посредством модуляции декремента затухания, в частности, из-за присутствия пленок (Ермаков, 2010).
Двухмасштабная модель волнения и брэгговский резонансный механизм рассеяния неплохо описывают рассеяние для умеренных углов зондирования, что обычно имеет место при радиолокационном наблюдении морской поверхности со спутников. При больших углах, встречающихся при зондировании с самолетов, эта модель нуждается в совершенствовании за счет учета нерезонанасных эффектов, в частности, рассеяния на микрообрушениях. Основные результаты в этом направлении освещены в публикациях (Romeiser et al., 1994, Кравцов и др., 1999, Булатов и др. 2003а, Kudryavtsev et al., 2003, Voronovich, Zavorotny, 2001, Churyumov et al., 2003).
Отметим, что РСА-изображения формируются несколько иначе, чем в случаях РЛСБО, судовых и береговых радаров, потому что к «обычной» модуляции брегговского сечения рассеяния в случае РСА добавляется еще один механизм, а именно, модуляция доплеровского смещения частоты. В РЛСБО такая модуляция не регистрируется, тогда как в случае РСА орбитальное движение позволяет «видеть» волнение даже в условиях, когда флуктуации сечения рассеяния отсутствуют.
Космические РСА работают при углах падения 20–60°. При таких углах эффекты нерезонансного рассеяния невелики, и формирование РСА изображений происходит преимущественно на основе брегговского механизма рассеяния, с участием эффекта Допплера. Доплеровская визуализация движения частиц жидкости, безусловно, является положительным для наблюдения эффектом. Однако такая визуализация сочетается и с негативным проявлением орбитального движения. Специфика отображения РСА морской поверхности связана с подвижностью последней, т. е. с тем, что за конечное время синтеза положение рассеивателей изменяется, или, что эквивалентно, наличие у рассеивателей радиальной скорости искажает доплеровский спектр сигнала. Это приводит к тому, что в РСА-изображении появляются интерференционные «биения» между доплеровскими частотами, которые на практике воспринимаются как характерные шумы, затрудняющие восстановление спектра волнения. В результате спектр волнения, регистрируемый когерентным РСА, работающим по случайному движению поверхности, оказывается не идентичным исходному спектру волнения. Особенности РСА-изображения морской поверхности проявляются в виде трех основных эффектов: ухудшение разрешающей способности по азимуту, расфокусировка изображения, дополнительная модуляция яркости изображения крупных поверхностных волн.
По вопросу формирования РСА-изображений морской поверхности имеется достаточно много публикаций как зарубежных, так и отечественных авторов (Alpers et al., 1981; Alpers, Rufenach, 1979; Kanevsky, 1993; Каневский, 2004).
Радиолокационные данные активно используются при изучении различных процессов, происходящих в океане, а также явлений, воздействующих на его поверхность. Однородность диэлектрических свойств морской поверхности существенно облегчает анализ радиолокационных изображений и позволяет связать интенсивность обратно рассеянного сигнала с характеристиками шероховатости поверхности океана. Двумерные распределения радиолокационного сечения обратного рассеяния позволяют наблюдать пространственные характеристики изучаемых явлений.
2.1.5. процессы и явления, проявляющиеся на радиолокационных изображениях морской поверхности Прежде всего, на радиолокационных снимках видны поверхностные проявления течений, а также гидрологических фронтов, представляющих собой границы раздела морских вод с различными свойствами: температура, солёность, плотность, цвет, различные взвеси и органические примеси (Romeiser et al., 2001; Johannessen et al., 2005).
В свою очередь, течения могут быть связаны с топографией дна (особенно на мелководье), так что радиолокационные снимки косвенно могут нести информацию и о рельефе дна.
На радиолокационных изображениях морской поверхности детектируются морские вихревые структуры различных размеров, с диаметрами от нескольких до десятков километров. Как правило, на радиолокационных изображениях эти вихри визуализируются благодаря сликовым полосам, образованным пленками поверхностно-активных веществ естественного происхождения, постоянно присутствующим на морской поверхности, особенно в теплое время года. Эти пленки обладают способностью гашения гравитационно-капиллярной составляющей поверхностного волнения, в силу неравномерного распределения сил упругости, зависящей от
Г л а в а 2. МЕТОДы И СРЕДСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
концентрации в местах их скопления, и тем самым уменьшают величину обратно рассеянного сигнала. Вовлекаясь в орбитальные движения, пленки естественного происхождения как бы «прорисовывают» вихри на радиолокационных изображениях, преимущественно в условиях слабого и умеренного приповерхностного ветра (Alpers, Hhnerfuss, 1989; Митягина, Лаврова, 2009; Mityagina et al., 2010). Благодаря присутствию на поверхности пленок поверхностно активных веществ, средства радиолокации позволяют регистрировать вихревые структуры малых размеров, с характерными размерами в несколько километров. Вследствие небольших размеров эти вихри невозможно обнаружить с помощью спутниковых оптических и ИК-сенсоров.
Кроме того, радиолокационное изображение позволяет выявить тонкую структуру вихря, что дает возможность оценить долю пленок биогенного происхождения, вовлеченных в вихревую структуру и сконцентрированных в зонах конвергенции.
Радиолокаторы высокого разрешения могут выявлять поверхностное волнение, точнее, крупномасштабную компоненту волнения с характерными длинами, превышающими 20–40 м.
Особый интерес представляют собой поверхностные проявления внутренних волн в океане. Существование внутренних волн в толще морских вод обусловлено устойчивой стратификацией, соответствующей увеличению плотности воды в направлении силы тяжести. Внутренние волны играют важную роль в процессах горизонтального и вертикального обмена и перемешивания вод и в формировании термохалинной циркуляции водоемов. Амплитуда внутренних волн может достигать в океане ста метров, длины волн — многих километров, но колебания водной поверхности при этом обычно ничтожны. Тем не менее, при определенных условиях внутренние волны могут проявляться на поверхности океана, модулируя ветровую рябь своими орбитальными течениями (Ермаков и др., 1980; Басович и др., 1982; Баханов, Таланов, 1999; Горшков и др., 2003). Основная форма поверхностных проявлений внутренних волн в океане — это чередование квазипараллельных полос выглаженной (слики) и шероховатой (сулои) морской поверхности.
Поверхностные проявления внутренних волн в океане визуализируются на радиолокационных изображениях морской поверхности в виде чередующихся полос усиления и ослабления радиолокационного сигнала, обусловленных модуляцией мелкомасштабной составляющей спектра поверхностного волнения переменными течениями, создаваемыми в приповерхностном слое внутренними волнами (Alpers, 1985; Кравцов и др., 1997а; Ermakov et al., 1998).
«