Icebreakers And Satellites Work Together In Arctic
28 февраля в России отмечается День Арктики. Спутниковые данные очень важны и для изучения этого региона, и для работы в нем. Сотрудники ИКИ РАН разрабатывают алгоритмы определения ледовой обстановки по данным спутниковой микроволновой радиометрии и проводят подспутниковые эксперименты для уточнения используемых в этой области моделей.
Результаты такого эксперимента, проведенного совместно с коллегами из ААНИИ и ФГУП «Атомфлот», включены в базу данных Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» и уже используются для более совершенной оценки параметров ледяного покрова в Арктике.
Дистанционные наблюдения с космических аппаратов — незаменимый инструмент для оценки ледовой обстановки в Северном Ледовитом. С их помощью можно следить за всей интересующей территорией и, что особенно важно, при любой погоде, поскольку используются данные СВЧ-радиометрии (микроволновый диапазон электромагнитного излучения), для которой облака не представляют препятствия.
С помощью дистанционных данных оценивают площадь ледяного покрова и его сплоченность, а также другие характеристики. Это возможно, потому что свойства собственного (теплового) СВЧ-излучения зависят от параметров излучающей среды — морской ли это или озерный лед, снежный покров, пресная или морская вода. Далее с помощью специальных физико-математических моделей и алгоритмов обработки спутниковые данные «превращаются» в информацию о состоянии ледяного покрова.
«Такие модели описывают связь микроволнового излучения, которое приходит от поверхности Земли, как говорят, подстилающей поверхности, с рядом настраиваемых параметров. А далее за счет «настройки» этих параметров исследователи пытаются совместить модельное значение с измеренным, — поясняет Дмитрий Ермаков, руководитель отдела исследования Земли из космоса ИКИ РАН. Одна из проблем этого подхода состоит в том, что разные модели, хотя и согласуются в целом, но дают «на выходе» немного разные оценки, отличия в которых, однако, могут иметь существенное значение на практике.
Вторая проблема наблюдений применительно к ледяному покрову связана с низким пространственным разрешением микроволновой радиометрии. В среднем оно составляет порядка десятков километров. Это, конечно, много — на таком расстоянии могут происходить очень разные процессы: лед может таять и намерзать, могут образовываться многочисленные полыньи, разводья, снежницы, торосы, и всё это в конечном счёте скажется на свойствах микроволнового излучения.
Чтобы в этом разобраться, надо попытаться взглянуть на лед в натурных условиях и понять, что в действительности происходит на поверхности океана, какие «радиотепловые портреты» получаются от областей с более или менее однородными свойствами. Именно для этого проводят «полевые» наблюдения, или, в данном случае, подспутниковые эксперименты.
Такой совместный подспутниковый эксперимент по комплексным наблюдениям морского ледяного покрова Арктики в натурных условиях провели сотрудники ИКИ РАН и Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ), при содействии коллег из Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, в сотрудничестве с ФГУП «Атомфлот». Наблюдения проводились в мае 2024 г., а работа с полученными данными продолжается и в настоящее время.
Эта экспедиция стала, фактически, первым подобным экспериментом в Арктике в современной России. Ранее, в Советском Союзе такие работы проводились достаточно регулярно, и не только с борта кораблей, но и и на дрейфующей научно-исследовательской станции «СП-22» (1973-1974 гг), и борта самолетов. В 1973 г. состоялся совместный советско-американский эксперимент в области космической метеорологии и океанографии «Беринг» (BESEX) в Беринговом море, в котором участвовали два корабля, три самолета-лаборатории и два спутника, а также исследовательские вертолеты. В рамках этого эксперимента выполнено большое количество микроволновых радиометрических измерений морского льда, морской поверхности и атмосферы, были получены уникальные для того времени результаты. В 1993 г. состоялась совместная российско-германская экспедиция ARCTIC’93, в ходе которой также проводились микроволновые радиометрические наблюдения за морскими льдами разных возрастов, находящихся в различных метеорологических условиях.
Идея нового эксперимента, предложенного в ИКИ РАН и ААНИИ, состояла в том, чтобы наблюдать за ледяным покровом одновременно двумя способами. Во-первых, с помощью комплекса микроволновых радиометров, которые по своим характеристиками повторяют существующие инструменты на борту различных спутников, в том числе — комплекс МТВЗА-ГЯ, который установлен на российских метеорологических спутниках «Метеор-М».
Для имитации «космических наблюдений» важна не только частота принимаемой электромагнитной волны, но и угол, под которым прибор смотрит на поверхность. Для этого в ИКИ была собрана специальная установка, с помощью которой приборы можно было выставлять под нужным углом на борту ледокола, а также направлять их в зенит при калибровках.
Во-вторых, одновременно с радиометрическими наблюдениями проводились непосредственные измерения погодных параметров и визуальная оценка свойств ледяного покрова. В приборный комплекс входили приборы для метеорологических измерений, GPS-антенна для координатной привязки, видеокамера и некоторые другие. Результаты наблюдений заносились в судовой журнал.
Наблюдения в основном проводились с борта атомного ледокола «Ямал» по пути из Обской губы к северной оконечности Новой Земли, то есть в Карском и отчасти в Баренцевом морях. Всего же участникам экспедиции удалось побывали на трёх ледоколах: «Таймыр», «50 лет Победы» и «Ямал», — а также ледокольном буксире «Юрибей», который доставлял участников из порта Сабетты на борт ледокола и обратно.
В сумме было записано 112 часов измерений. Ледовая обстановка во время плавания сильно менялась: чаще всего, встречался довольно сплоченный лед, но бывало и почти чистое море. То же касалось и погоды: как шутит Дмитрий Ермаков, «в видимом диапазоне было видно далеко не всегда», но иногда участников экспедиции радовало ясное небо.
Ледовая обстановка в этом районе также довольна специфическая. Здесь очень часто проходят суда, и поэтому преобладают льды, которые испытали многократное техногенное воздействие, — были довольно сильно переломаны и заново смерзлись.
«Это надо учитывать при обработке данных. С одной стороны, мы видели, может быть, не совсем характерный лед, но, с другой, он реально существует в этих районах, поэтому нам надо более внимательно подходить к анализу спутниковых данных, когда мы изучаем именно эти территории».
По возвращении экспедиции в Москву в начале июня 2024 г. началась работа с полученными данными. Одним из её непосредственных результатов станут уточненные диэлектрические свойства и излучательные способности различных типов ледяного и снежного покрова. Эти значения потом закладываются в модели, которые используются для интерпретации спутниковых данных, и соответственно увеличивается точность этих моделей.
Также все полученные данные и их описания были полностью выложены в открытый доступ через Центр коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг», созданный в отделе технологий спутникового мониторинга ИКИ РАН.
«Мы надеемся, что такие подспутниковые эксперименты будут продолжены, — подчеркивает Дмитрий Ермаков. — Модели работы со спутниковыми данными развиваются в сторону увеличения детальности, конкретности и точности, и это невозможно сделать без прямой проверки, насколько модели соответствуют реальности. Особенно это важно для Арктики, где обстановка меняется довольно быстро из-за климатических изменений.
Мы очень благодарны нашим партнерам из «Атомфлота», которые согласились на такой эксперимент. Их участие очень важно для развития этого направления в науке. Предыдущий опыт работы на морских полигонах, конечно, нам пригодился, но многие вещи в таком плавании приходилось делать впервые. Теперь мы знаем, что нас может ожидать, и следующие эксперименты, безусловно, дадут больший результат».
Экспериментальные исследования были осуществлены на борту атомного ледокола «Ямал» ФГУП «Атомфлот» в рамках темы гос. задания «Мониторинг» №122042500031-8 (ИКИ РАН) и работ по гранту РНФ №23-17-00161 «Анализ ледовых условий плавания и элементов динамики ледяного покрова в районе Северного морского пути как основа качественных долгосрочных прогнозов» (ААНИИ).