Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Использование аэрофото - и космической информации в океанологических исследованиях - файл 1.doc


Реферат - Использование аэрофото - и космической информации в океанологических исследованиях
скачать (270.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc271kb.16.11.2011 16:04скачать

содержание

1.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение

Казанский Государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина


Факультет географии и экологии

кафедра физической географии и геоэкологии

специальность геоэкология

4 курс, группа 235

Гильманова Юлдуз


Использование аэрофото- и космической информации в океанологических исследованиях


(реферат)


Казань 2006


Оглавление

Ведение…………………………………………………………………………….2

Глава I. Использование ИСЗ с системах сбора передачи океанологической информации………………………………………….....................................4

Глава II. Измерение уровня океанической поверхности

2.1 Возможности орбитального альтиметра…………………………………6

2.2.Особенности топографического рельефа поверхности океана………...7

Глава III. Измерения температуры океанической поверхности…………9

3.1. Использование ИК-диапазона…………………………………………..9

3.2. Использование СВЧ-диапазона………………………………………...11

Глава IV. Исследование поверхностных явлений…………………………15

4.1. Пассивные методы наблюдения и оценки состояния поверхности моря…………………………………………………………………………..15

4.2. Поверхностные проявления внутренних волн………………………..16

4.3. Дистанционное обнаружение загрязнения морской поверхности нефтью………………………………………………………………………..17

Глава V. Другие возможности изучения океана из космоса……………...19

5.1. Изучение цветового поля океана……………………………………...19

5.2. Исследование прибрежной зоны океана……………………………...19

5.3. Биологические явления………………………………………………...20

Зключение……………………………………………………………………….21

Литература……………………………………………………………………...22


Введение

Последнее десятилетие ознаменовалось интенсивным разви­тием методов исследования Земли с космических аппаратов. Фотографическая, инфракрасная, радиолокационная и другая измерительная аппаратура, установленная на советских и аме­риканских спутниках серии «Космос», «Метеор», «Нимбус», «ЭССА», «НОАА», «ГЕОС», «ЛАНДСАТ» и других, позволяет получить ценную информацию об океане.

Методы дистанционных измерений не следует рассматривать как нечто, идущее на смену традиционным контактным методам изучения океана. Уже сегодня имеется полезный опыт успеш­ного применения дистанционных методов в сочетании с тради­ционными корабельными и буйковыми измерениями. Именно в этом направлении и пойдет дальнейшее развитие: дистанцион­ные (неконтактные) методы измерения будут интегрированы в общем арсенале океанологических методов и будут приме­няться в комплексе с другими средствами там, где они ока­жутся наиболее подходящими и эффективными.

Методы измерений из космоса в принципе позволяют полу­чать в синоптические сроки представления о процессах, проте­кающих на больших акваториях океана, чего по техническим причинам невозможно добиться с помощью кораблей даже в комбинации с многочисленными автономными буйковыми стан­циями. Это существенное преимущество космических средств по сравнению с традиционными.

Однако при измерениях из космоса чаще всего регистри­руется не сама интересующая исследователя величина, а ка­кой-либо косвенный или промежуточный параметр, связанный с исследуемой величиной каким-то функциональным соотноше­нием. Очень сложно изучение из космоса характеристик поверхностного морского волнения, вет­рового поля над океаном и морских течений. Здесь первичным результатом измерения являются вариации в обратном рассея­нии радиоволн. При визуальных или фотографических наблюдениях из космоса за явлениями в океане мы имеем дело не с самими явлениями, а с их прояв­лениями на водной поверхности. Наиболее прямыми измере­ниями с ИСЗ являются, пожалуй, радиолокационные альтиметрические измерения, при которых объектом измерения являются высоты уровенной поверхности океана, а орбита ИСЗ служит отсчетным уровнем подобно тому, как морская поверхность слу­жит отсчетной поверхностью при эхолотном измерении глубины с корабля.

Косвенный характер дистанционных измерений подчеркивает на большие трудности достижения той высокой точности, с которой необходимо сейчас измерять многие физические характеристики океана. Именно высокие требования, предъявляемые сегодня океанологами к точности измерений в океане, и являются главной трудностью на пути широкого применения космических средств в океаноло­гии. В связи с этим актуальной задачей океанологов является выбор наиболее перспективных способов дистанционных изме­рений и разработка методов их интерпретации. Не менее важ­ным является предварительное целенаправленное изучение ста­тистических характеристик, генери­руемых морской поверхностью, что во многих случаях может осуществляться на основе данных, получаемых методами кон­тактных измерений.


^ Глава I. Использование ИСЗ в системах сбора и передачи океанологической информации


Использование ИСЗ в системах сбора и передачи океанологической информации, в частности с буйковых измерительных систем, вызывает в последнее время большой интерес. Систематические определения из космоса местоположений свободно дрейфующих буев могут дать ценную информацию о течениях в океане. Такие исследования уже проводятся Вудсхолским океанографическим институтом с помощью поверхностных радиобуев, разработанных Национальной службой буев для сбора данных США. Целью программы является исследование перемещения так называемых «колец» Гольфстрима. Системы буев, дрейфующих на поверхности или всплывающих с заданной глубины для передачи информации на спутник, позволили бы существенно расширить возможности контактных измерений в океане. Сбор информации может осуществляться также с буев, поставленных на якорь в исследуемых районах океана. На таких буях будет размещаться аппаратура для измерения ряда характеристик в приводной атмосфере и в океане от поверхности до значительных глубин, а также необходимые накопительные и передающие устройства. В состав буйкового комплекса могут входить датчики температуры, влажности и давления в атмосфере, скорости и направления ветра, температуры, электропроводности и давления в воде, составляющих скорости течений, прозрачности и радиоактивности, скорости звука, растворенного кислорода. Информация, собираемая с буев, может передаваться спутниками на корабли или в наземные центры данных.

До сегодняшнего дня экспериментов с использованием ИСЗ для сбора информации с буев проведено крайне мало. Можно отметить лишь успешный франко-австралийский эксперимент 1972г. Веретенообразный буй с демпфирующим устройством на глубине 30 м свободно дрейфовал в Восточно-Австралийском течении. Данные о температуре воздуха и поверхности воды с помощью телеметрической системы передавались на спутник «EOLE». Кроме этого, параллельные измерения проводились с ряда научно-исследовательских судов, работавших в тот же период по программе CSIRO. Полученные в ходе эксперимента результаты убедительно подтвердили предположения о перспективности использования ИСЗ для сбора океанологической информации с буев.

Имеется опыт и передачи через спутник в береговые центры данных судовых измерений.

Близкими задачами являются сбор спутниками информации о местоположении судов, а также повышение точности навигации на основе приема сигналов со специального навигационного спутника или спутников. Современные системы позволяют фиксировать положение судна с точностью до десятков метров, что по меньшей мере на порядок выше обычно применяемых методов радионавигации и астрономического определения места. В настоящее время несколько советских научно-исследовательских судов уже оборудованы спутниковой навигационной аппаратурой, что позволило в значительной степени повысить научную ценность многих проведенных измерений.


^ Глава II. Измерение уровня океанической поверхности

2.1 Возможности орбитального альтиметра

Использование принципа радиолокации для измерения высоты орбитального спутника открывает принципиальные возможности для изучения топографических особенностей поверхности океана. В применении радиовысотомера (РВ) с больших высот имеются свои принципиальные трудности, которые до недавнего времени тормозили обеспечение необходимой точности и разрешающей способности. Для их повышения необходимо уменьшение длительности зондирующих импульсов, которая определяет развертку сигнала на поверхности океана во времени. Эта развертка действует как некий фильтр по отношению к пространственным масштабам регистрируемых неровностей. Однако, если на поверхности океана есть крупные волны, то отраженный сигнал наибольшей мощности может приходить со значительных надирных углов и существенно искажать измеряемые расстояния. Уменьшение длительности импульсов требует повышения их мощности и, следовательно, больших пиковых напряжений, что связано с конструктивными трудностями. Для того, чтобы РВ обладал достаточным энергетическим потенциалом, рационально использовать принципы линейной частотной модуляции (ЛЧМ) или фазо-кодовой модуляции (ФКМ), для которых характерны меньшие пиковые напряжения зондирующего сигнала при сохранении достаточной средней мощности. Для повышения точности и помехоустойчивости работы РВ желательно иметь узкую диаграмму направленности излучающей антенны. Однако чрезмерное ее сужение может привести к ошибкам отсчета высоты за счет нестабильности углового положения спутника на орбите по отношению к надиру. Поэтому диаграмма направленности не должна быть более узкой, чем двойная амплитуда углового качания спутника, или, наоборот, угловые качания спутника должны быть сведены до половины угловой ширины диаграммы направленности.

Важнейшим элементом спутниковой альтиметрии является контроль за орбитой спутника, осуществляемый наземными станциями контрольно-измерительного комплекса с помощью радиотехнических средств.

^ 2.2 Особенности топографического рельефа поверхности океана

Форма поверхности океана определяется суммарным эффектом силы земного притяжения, вращения Земли, воздействия ветра (сгонно-нагонные эффекты), атмосферного давления и приливо-отливных сил. Традиционные представления об океане как эталоне «горизонтальности» на земной сфере в действительности не являются правомерными. Характерные уклоны морской поверхности, обусловленные совокупностью указанных выше причин, имеют порядок 10-5—10-7

Ниже будут даны оценки амплитуд основных особенностей топографии поверхности океана, определяющие наши требования к разрешающей способности орбитального альтиметра.

Геоид. Под геоидом понимается эквипотенциальная поверхность в гравитационном поле Земли, которая лишь при определенных условиях может совпадать с невозмущенным средним уровнем моря. Геоид является иррегулярной поверхностью, существенно отклоняющейся от эллипсоида вращения. Эти отклонения геоидального рельефа заключены в пределах ±100 м, в то время как отклонения океанического рельефа не превышают ±10 м.

^ Океанические течения. Океанические течения вызывают вариации уровня поверхности океана благодаря эффекту вращения Земли. Наибольшие вариации уровня зафиксированы в районе западных пограничных течений. Так, изменение уровня поперек Гольфстрима может достигать 3,5 м на 200 км. Восточные пограничные течения (например, Калифорнийское) характеризуются значительно меньшими аномалиями, не превышающими 34 см на 1000 км .

^ Меандры и вихри. Меандры крупных течений, как правило, имеют поперечник 100—300 км и смещаются на длину своей волны за время около двух месяцев при сохранении высоких скоростей внутри петли, образованной течением. Меандрам соответствуют изменения рельефа поверхности океана порядка 1 м на 100 км. Вихри («кольца»), образовавшиеся в процессе отделения меандров от основного течения в начале жизни, характеризуются такими же изменениями рельефа.

Квазигеострофические вихри, удаленные от основных пограничных течений и возникшие в результате иных причин, имеют в поперечнике 200 км, перемещаются со скоростью около 5 м/с при скорости течений в них до 20—25 см/с и вызывают вариации в топографическом рельефе порядка 5—10 см.

^ Уклоны водной поверхности вблизи берегов. Положение уровня океана вблизи материков характеризуется особенно заметными аномалиями, связанными с общей циркуляцией вод и приливами. По данным Стержеса средний уровень Тихого океана вблизи берегов США на 60 см превышает уровень у Атлантического побережья.

^ Приливы, ветровые волны, цунами. В среднем в открытых частях океана приливо-отливные явления обусловливают колебания уровня в пределах ± 1 м. Ветровые волны приводят к высокочастотным вариациям рельефа поверхности с амплитудами, достигающими 10 м в экстремальных условиях. Превышения уровенной поверхности в открытом океане при распространении волн цунами достигают 0,5 м.

^ Штормовые и ветровые нагоны, эффект атмосферного давления и др. Штормовые сгоны и нагоны вблизи берегов могут иметь амплитуду порядка нескольких метров. Колебания уровня, вызываемые изменениями атмосферного давления, не превышают 30—50 см.

Основываясь на приведенных выше оценках, можно заключить, что в целях получения информации, представляющей интерес для океанологии, необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального альтиметра. Разрешающая способность порядка 1 м на подспутниковых расстояниях порядка 100 км (уклоны 10-5) даст возможность обнаружения приливов в зонах континентальных шельфов, штормовых нагонов и деформаций уровня, связанных с западными пограничными течениями и их меандрами. Повышение разрешающей способности до 10 см на 100 км подспутниковой трассы (уклоны 10-6) позволило бы определять отклонения уровенной поверхности моря от геоида, детально исследовать вихревую структуру общей океанической циркуляции и обнаруживать разрушительные волны цунами задолго до их приближения к берегу.


^ Глава III. Измерения температуры океанической поверхности


Температура поверхности океана является одной из его наиболее важных физических характеристик. Применение ИСЗ с целью получения подробных глобальных синоптических карт температуры океана создаст основу для решения ряда проблем океанологии и, в частности, должно помочь развитию методов прогнозирования термических условий в океане и в атмосфере над океаном.


^ 3.1 Использование ИК-диапазона

Известно, что в ИК-диапазоне излучает лишь очень тонкая поверхностная пленка воды (толщиной лишь 0,02 мм для полосы длин волн 8—12,5 мкм). Излучающая пленка оказывается целиком в пределах тонкого пограничного слоя, температура которого значительно (на несколько десятых градусах Цельсия) отличается от температуры подстилающих вод. Изменчивость температуры в этом тонком пограничном слое океана очень велика, она определяется взаимодействием океана с атмосферой. Это обстоятельство накладывает дополнительные трудности на переход от регистрируемой радиационной температуры к интересующей океанологов термодинамической температуре подстилающих вод.

^ Характеристики применяемой измерительной аппаратуры. В течение последнего десятилетия измерения радиационной температуры поверхности Земли регулярно осуществлялись с целого ряда метеорологических и экспериментальных спутников, оснащенных инфракрасной радиометрической аппаратурой. Так, первые советские ИСЗ системы «Метеор» оснащались ИК-радиометрической аппаратурой, работающей в трех участках спектра — 0,3—3,0, 8,0—12, 3,0—30 мкм. Ширина полосы обзора была 1000 км, а пространственное разрешение 15•15 км2. Чувствительность аппаратуры к температурным перепадам составляла 2—3°С.

Выбор для измерений температуры диапазона 8—12 мкм обеспечивал возможность проведения измерений в любое время суток. На одном из первых спутников серии «Нимбус» был установлен инфракрасный радиометр с высокой для того времени разрешающей способностью (8 км) и воспринимавший излучение в спектральном интервале 3,4—4,2 мкм. С помощью этого радиометра впервые удалось исследовать термическую структуру поверхности океана в районе Гольфстрима и подтвердить принципиальную возможность индикации из космоса границ океанических течений. Однако интервал 3,4— 4,2 мкм оказался пригодным только в ночное время, так как днем отраженная солнечная радиация оказывалась соизмеримой по интенсивности с тепловым излучением. С выбором оптимального спектрального диапазона для ИК-измерений связана точность измерения температуры с ИСЗ. По оценкам Л. А. Пахомова и др., из трех узких участков (10—12, 10— 11, 10,5—12 мкм) оптимальным по величине ошибки измерения и количеству энергии, поступающей к датчику, является интервал 10,5—12 мкм. Применение более широкого участка 8— 12 мкм понижает чувствительность аппаратуры в два-три раза.

Результаты использования ИК-радиометров для изучения поля температуры поверхности океана. С началом оперативного функционирования спутников серии «НОАА» (с 1970 г.) наметился серьезный прогресс в области изучения из космоса особенностей поля температуры поверхности океана.

Начиная с 1972 г. (с мая 1973 г.— регулярно) в США осуществляется полностью автоматизированная процедура обработки данных, поступающих со спутников «НОАА». Данные радиометров спутников «НОАА» передаются на две наземные станции приема, расположенные на территории США (на Аляске и в Вирджинии). Далее информация через наземные или микроволновые линии связи поступает в центр обработки данных (Вашингтон), где преобразуется в цифровую форму, записывается на магнитный носитель и далее поступает в память центральной ЭВМ для последующей обработки. В основу статистической обработки положен метод гистограмм, развитый Смитом, Каффлером и Куртисом. Конечным продуктом являются ежедневные карты (рис. 1) температуры поверхности океана в глобальном масштабе. Вся система получила название «ГОССТКОМП».




Рис. 1. Карта температуры поверхности северо-восточной части Атлантического океана на 6 августа 1975 г., построенная по спутниковым данным (на основе автоматизированной системы обработки и анализа «ГОССТКОМП»).


С целью определения степени достоверности подобных карт в течение 1974 г. было проведено сравнение более полутора миллионов отдельных значений, снятых с карт, с судовыми данными. Средние отклонения спутниковых данных от судовых были заключены в пределах от –0,9 до 0,39°С, а среднеквадратичные отклонения от 1,67 до 2,23°С.


^ 3.2 Использование СВЧ-диапазона

Для измерений температуры поверхности океана может быть использован и СВЧ-диапазон. То обстоятельство, что радиоволны незначительно ослабляются в атмосфере, позволяет проводить измерения при любых метеоусловиях. Однако сильная зависимость излучателыюй способности морской воды от степени волнения, солености, наличия пены, льда, поверхностно-активных веществ и т. д. приводит к большим трудностям в процессе обработки и интерпретации результатов СВЧ-измерений.

Из всех газов атмосферы лишь водяной пар и кислород поглощают в СВЧ-диапазоне. Кислород имеет полосы поглощения вблизи λ = 0,25 см и λ = 0,5 см (частоты 120 и 60 ГГц), у водяного пара — при λ = 0,164 см (183 ГГц) и λ = 1,348 см (22 ГГц).

На рис. 2 представлена спектральная зависимость коэффициентов поглощения радиоволн в атмосфере и различных гидрометеорологических образованиях. В чистой атмосфере область длин волн более 2—3 см является «окном» прозрачности и в наибольшей степени подходит для измерения температуры поверхности океана. В облаках и осадках микроволновое излучение ослабляется значительно больше.

^ Радиотепловое излучение поверхности океана. В СВЧ-диапазоне излучение черного тела пропорционально его абсолютной температуре. Поэтому вместо интенсивности излучения принято говорить о радиояркостной температуре Т. Под этим подразумевают температуру такого черного тела, интенсивность излучения которого совпадает с измеряемой интенсивностью. При измерении в нормальном направлении радиояркостная температура моря Т складывается из трех слагаемых Т1, Т2, Т3:

Т = Т1 + Т2+ Т3;

Т1 = Тм(1 – R) exp ( – τ);

Т2 = Та [1 – ехр ( – τ)];

Т3 = Т2 R ехр ( – τ) = Та [1 – ехр ( – τ)] R exp ( – τ). (1)

Здесь Тм — обычная термодинамическая температура морской поверхности; ^ R — коэффициент отражения моря; χ = 1 – R – коэффициент излучения; τ = !γ (h) dh — оптическая толщина атмосферы; Та — эффективная температура атмосферы. Первое слагаемое Т1 — это излучение моря, ослабленное происхождением через атмосферу; второе Т2 — излучение самой атмосферы, если ее рассматривать как однородный слой с некоторой эффективной температурой Га; третье Т3 — это излучение атмосферы, отраженное морем послабленное прохождением через атмосферу.

В длинноволновой части сантиметрового диапазона (λ>3см) оптическая толщина атмосферы мала и слагаемые Т2 и Т3 заметно меньше собственного излучения моря Т1. Поэтому для измерения температуры обычно используются радиометры с λ = 8--10 см.

Для перехода от радиояркостной температуры Т1 к термодинамической * Тм нужно знать коэффициент отражения R (λ, Ө).

В наклонных направлениях для различно поляризованных компонент эта величина и, следовательно, коэффициент излучения χ = 1 – R различны.






Рис. 2. Спектральная зависимость Рис. 3. Вертикальная ) и горизонтальная )

затухания радиоволн в атмосфере компоненты коэффициента излучения гладкой

(Т—20°С Р= 760 мм рт. ст.) и водной поверхности для различных длин волн

метеорологических образованиях

1 — водяной пар; 2 — кислород; 3—5 — туман

при видимости соответственно 150, 60 и 30 м;

6 — слабый дождь (1 мм/ч); 7 — средний дождь

(4 мм/ч); 8—сильный дождь (16 мм/ч).


При сильном волнении необходимо учесть влияние пены на радиотепловое излучение. Излучательная способность пены близка к единице. Если большая часть морской поверхности занята пеной, то неучет ее может привести к большим ошибкам в измерении температуры.

Пенообразование в море зависит от скорости ветра, разгона волн, особенностей стратификации у границы раздела воздух— вода и от концентрации поверхностно-активных веществ.






Рис. 4. Профиль температуры поверхности Тихого океана вдоль меридиана.

1 — по радиометрическим измерениям; 2 —среднеклиматические данные; 3 — судовые измерения.


Глава IV. Исследование поверхностных явлений


^ 4.1 Пассивные методы наблюдения и оценки состояния поверхности моря.

Оценку состояния поверхности моря можно получить путем наблюдений или фотографирования в видимом диапазоне.

Аэрофотосъемка в обычном видимом диапазоне спектра с помощью специальных панорамных фотокамер с высот порядка 20 км позволяет изучать рефракцию ветровых волн и зыби в прибрежных районах. Разрешающая способность даже специальных фотокамер недостаточна для изучения рефракции ветровых волн и зыби по фотографиям со спутников. К тому же речь идет о сравнительно слабых контрастах между склонами волн, освещаемых солнцем под мало различающимися углами. Тем не менее, различные формы волнения (капиллярные волны и рябь, развитое трехмерное волнение и зыбь) характеризуются статистически различными распределениями наклонов различных элементов взволнованной поверхности. Поэтому блик от солнца, наблюдаемый на поверхности воды из космоса, может иметь различные размеры и очертания в зависимости от характера и направления распространения волнения.

От гладкой поверхности падающие лучи Солнца отражаются практически под одним и тем же углом, что делает блик малым (200—300 км) и резко очерченным (контрастным). Хаотическое трехмерное волнение, возникающее во время сильных штормов, должно, наоборот, очень сильно рассеивать отраженный свет и давать большой блик с размытыми краями (до 3000 км). Более организованные формы волнения (например, зыбь) в силу своей квазидвумерности должны вызывать анизотропное рассеяние отраженного света.

По характеристике обратного рассеяния любой радиации, падающей на взволнованную морскую поверхность, можно получить представление о спектральном распределении наклонов морской поверхности и, следовательно, об энергетическом спектре морского волнения. На этом основан принцип не только пассивной, но и активной локации морской поверхности.


^ 4.2 Поверхностные проявления внутренних волн

Хотя внутренние волны развиваются, как правило, в глубоких слоях океана, ряд специфических явлений на поверхности океана позволяет наблюдать за внутренними волнами из космоса. Можно назвать, по крайней мере три характерных вида взаимодействия внутренних волн с поверхностным слоем, которые делают их видимыми.

1. Орбитальные скорости частиц воды во внутренних волнах, развивающихся в неглубоком термоклине, могут достигать свободной поверхности и там, взаимодействуя с дрейфовым течением и ветром, могут влиять на форму и распределение ряби и мелких волн. При этом на поверхности могут наблюдаться перемежающиеся полосы гладкой и покрытой рябью или более крутыми волнами воды. Ширина таких полос может достигать сотен метров, а длина — многих километров. Наблюдения с кораблей показали, что под покрытыми рябью полосами находятся гребни внутренних волн. Полосы ряби и гладкой воды по-разному отражают солнечные лучи, что и обусловливает появление контрастов на фотографиях морской поверхности

2. С орбитальными движениями во внутренних волнах при выходе их на поверхность может быть связано неравномерное распределение поверхностно-активных веществ, влияющих на поверхностное натяжение, форму ветровых волн и соответственно отражательные свойства морской поверхности.

3. В прибрежных районах, особенно там, где поверхностный слой сильно замутнен (например, вблизи дельт крупных рек), видимость внутренних волн может быть связана с тем, что на гребнях волн более прозрачные воды нижнего слоя поднимаются ближе к поверхности, создавая темные полосы. В ложбинах волн слой мутной воды толще и выглядит на фотографии светлее.

Снимки дают возможность при известной гидрологической структуре и глубине оценить длины, периоды и фазовые скорости наблюдаемых внутренних волн. Можно также понять и их природу.


^ 4.3 Дистанционное обнаружение загрязнения морской поверхности

нефтью

Основные сведения о нефтяных пленках в океане. Две причины позволяют дистанционно обнаруживать пленку нефти на море. Первая — это изменение оптических характеристик поверхности, приводящее к изменению отражательных и поглощательных свойств ее в различных областях спектра. Вторая — изменение физического состояния самой поверхности вследствие изменения волнения, пенообразования, испарения и т. д. под влиянием пленки. Эти изменения также сказываются на характеристике отражения и излучения электромагнитных волн.

Выплеснутая на чистую поверхность воды нефть быстро растекается под воздействием поверхностного натяжения в виде пятна (слика), пока, по крайней мере теоретически, не достигнет состояния мономолекулярного слоя. В природе достижению мономолекулярного слоя препятствуют различные гидрометеорологические факторы. Нельсон-Смит приводит толщину слика нефти от 0,15 до 1 мкм (150—1000 л/км2). С. В. Михайлов указывает, что 1 т сырой нефти загрязняет 12 км2 моря. Основная масса нефти (до 90%) сосредоточена в ядре слика, относительно малом по размерам, окруженном очень тонким растекающимся шлейфом. При растекании нефти летучие компоненты испаряются (до 30% за 30 ч), растворимые в воде выщелачиваются, происходит окисление нефти микроорганизмами.

На распространение нефтяного слика влияют также ветер и течения. Дрейф пленки происходит практически по направлению ветра. Скорость его составляет примерно 4% скорости ветра.

Существенное влияние на распространение нефтяного слика оказывает волнение. В результате его воздействия пленка разрывается на отдельные полосы, параллельные крупным ветровым волнам. Под действием волнения и ветра нефтяная пленка постепенно трансформируется в комочки, «нефтяные агрегаты», покрытые водорослями и диатомеями. Это коричневые, смолистые комки размером 0,5—8 мм.

^ Пассивные методы обнаружения нефтяной пленки. В ультрафиолетовой и видимой областях максимальный контраст между нефтью и водой отмечается на волнах короче 400 нм и длиннее 600 нм, минимальный — в области 450—500 нм. Яркость слоя нефти на водной поверхности зависит от его толщины. Самые тонкие пленки практически прозрачны. При толщинах пленок порядка длины волны яркость максимальна. Толстые пленки кажутся более темными.

Определение толщины пленки при стандартной аэрофотосъемке происходит главным образом при наблюдении интерференционных цветов, возникающих в случае тонких пленок (порядка 2,5 мкм). Так как эффект зависит от угла, то равномерный охват невозможен, и это затрудняет составление фотомозаики.

На рис. 5 представлены результаты расчетов ^ Тя для гладкой поверхности и пленки для 3 длин волн. Обращает на себя внимание колеблющийся характер зависимости Тя от толщины пленки. На яркостную температуру Тя сильно влияет состояние моря. Пена резко увеличивает Тя, но нефть уменьшает вспенивание и, следовательно, Тя. В целом для тонких пленок уменьшение Тя за счет влияния их на состояние моря может превосходить эффект увеличения Тя за счет увеличения излучательной способности нефти.







Рис. 17. Зависимость увеличения яркостной температуры Тя покрытой пленкой нефти водной поверхности от толщины пленки для различных длин волн.

1 — 0,43 см, 2 — 0,97 см, 3 —1,55 см.


Глава V. Другие возможности изучения океана из космоса


^ 5.1 Изучение цветового поля океана

Для чистой океанской воды, как правило, характерен синий цвет. Изменения окраски вызываются увеличением мутности, интенсивным развитием фитопланктона, скопления зоопланктона, изменениями глубины и др. Цветовые контрасты наблюдаемые со спутника, отражают влияние этих факторов, а также позволяют судить о наличии пленок на воде.

В настоящее время имеется опыт проведения многозональной и цветной съемки поверхности океана с космических кораблей «Аполлон», «Скайлэб» и «Союз» и с ИСЗ «ЕРТС-1» и «Метеор». Много публикаций на эту тему появилось после вывода на орбиту спутника «ЕРТС-1». Так в работе Хироаки рассматривались результаты многозональной съемки морской поверхности. Отмечалось, что для выявления течений по цветовым контрастам в наибольшей степени подходят каналы 500—600 и 600—700 нм, а при съемке пульповых промышленно-бытовых стоков, рельефа дна сквозь воду и льда — канал 500—600 нм.

^ 5.2 Исследование прибрежной зоны океана

Тесно связанной с вопросом изучения цветового поля является и задача исследования прибрежной зоны океана. Такие исследования уже сейчас возможно проводить с помощью ИСЗ, предназначенных для изучения природных ресурсов Земли. Так, спутник «ЕРТС-1» оснащен камерами с разрешающей способностью порядка 50—70 м при ширине полосы захвата 185 км, что позволяет проводить точное картирование береговой черты. Со спутников также можно получать ценнейшую информацию об эволюции берегов континентов и островов.

Применение методов цветного и многозонального фотографирования позволит осуществить картирование топографии дна и точное обнаружение мелководий, банок и баров, прослеживание струй речных вод, выявление прибрежных течений (включая циркуляцию вокруг островов, вдольбереговые потоки, мутьевые потоки и т. д.), определение областей апвеллинга и др. Многозональная съемка позволила определить границы зон загрязнения, а также фронтальную зону между прибрежными и шельфовыми водами.


^ 5.3 Биологические явления

Для поиска промысловых зон широко используются самолеты. Лишь в самое последнее время стали изучать возможности использования для этих целей космических носителей.

С борта ИСЗ возможно прямое определение содержания хлорофилла в океанской воде, а стало быть и обнаружение областей повышенной продуктивности фитопланктона.

Как известно, наибольшие концентрации планктона, как правило, обнаруживаются около океанических фронтов, т. е. в зонах соприкосновения разнородных водных масс, и в зонах интенсивного подъема вод с глубин. Поэтому все методы дистанционной индикации фронтов и апвеллингов представляют прямой интерес и для рыбного промысла. Особенно важной характеристикой океана для рыбопромысловой разведки является поверхностная температура. Так, по расчетам Нортона поиск рыбы по данным радиационных измерений температуры со спутника может увеличить дневной улов на 25%.


Заключение


Исследование океана ведут специальные океанологические спутники Seasat, Topex-Poseidon, ERS, SeaStar, Jason, Океан. Главное достижение космических методов в океанологии состоит в том, что спутники позволяют перейти от наблюдений в отдельных точках (ранее обеспечивавшихся буйковыми или судовыми методами) к общему глобальному охвату. Однако при этом регистрируются характеристики лишь поверхностного слоя воды – скин-слоя – и большое значение имеет использование косвенных показателей (например распределения температур как индикаторов различных водных масс и их динамики); поэтому и необходимо изучение связей исследуемых явлений.


Литература


  1. Новогрудский Б.В. Исследование океанов из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 308 с.

  2. Зиман Л.Л. Географические информационные системы, дистанционное зондирование и их практическое использование. М.: Итоги науки и техники ВИНИТИ, 1989. – 212 с.



Скачать файл (270.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации