Учёные разработали новый алгоритм слежения за морским ледовым покровом, что поможет безопасности судоходства в Арктике и Антарктике

Фото: Сергей Аносов / GeoPhoto

Для наблюдения за ледовым покровом Мирового океана российские учёные предложили отслеживать изменение частот радиоволн, излучаемых спутниками систем GPS и ГЛОНАСС, и отражённых от поверхности Земли: разброс частот отражённых радиоволн зависит от характеристик отражающей поверхности, что позволяет, например, отличить лёд от открытой воды. Этот фактор критически важен для климатических исследований и обеспечения безопасного судоходства, а предложенный учёными метод закладывает основу для разработки автоматизированного контролирования поведения и состояния морских льдов в Арктике и Антарктике. Исследования по использованию сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для картографирования полярных вод провели учёные из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова (Нижний Новгород) и Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (Солнечногорск). Как передаёт портал «Научная Россия», результаты их исследований, поддержанных грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».

Площадь морских льдов, о которых часто пишет GoArctic, играет важную роль в регулировании климата Земли – она влияет на температуру воздуха, на перемещение океанических и воздушных масс, то есть на течения и ветры. Но труднодоступность и обширность территорий, занятых морским льдом, затрудняет наблюдения за ним. Традиционно для мониторинга используют радиометры, а также инфракрасные и оптические сенсоры. Радиометры отделяют воду ото льда по «температуре поверхности» на разных частотах СВЧ-радиоволн, инфракрасные сенсоры – по «температуре» в инфракрасном диапазоне, а оптические сенсоры – по характеристикам отражения солнечного света. Однако эти методы недостаточно надёжны, потому что зависят от погоды – облака или туман могут полностью блокировать оптические измерения и исказить температурные показатели.

Авторы исследования использовали данные со спутника на примере северных и антарктических вод: анализируя изменения частоты сигналов, исследователи смогли определить, от чего эти сигналы отразились – ото льда или от воды. Морской лёд отражает сигналы как плоская поверхность, тогда как на открытой воде даже при полном штиле есть волны – в результате отражение сигналов ото льда на спектре выглядит как острый пик, а от воды – как пологий «колокол». В результате обработки данных экспериментальных измерений учёные разработали модель, предсказывающую форму доплеровского спектра (изменений частоты и длины волны излучения) сигнала, отражённого от ледяного покрова и открытой воды при разных условиях зондирования. Модель предоставляет возможность определять тип поверхности по форме доплеровского спектра: острые пики – лёд, пологие «колоколы» – вода. Практические испытания показали эффективность и надёжность метода даже в сложных метеоусловиях.

По словам исследователей, предложенный способ может использоваться для картографирования ледового покрова в Арктике и Антарктике, в том числе для наблюдения за климатом Земли и для навигации по Северному морскому пути. Выгода нового метода, кроме его большей надёжности по сравнению с традиционно используемыми, в том, что его можно реализовать с помощью существующих спутниковых систем и перспективных российских разработок.