Дистанционные методы в океанологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Титульный лист

Тема: «Дистанционные методы в океанологии»

 

 

Содержание

 

 

 

Введение

 

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

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

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

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

 

1. Задачи неконтактных методов исследования океана

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Развитие неконтактных методов исследования в океанологии

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Классификация дистанционных методов в океанологии

 

В рамках изучения данной темы представляется возможным рассмотрение следующих вопросов:

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

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

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

4. Аэрофотосъемка  морской поверхности

 

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

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

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

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

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

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

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