Гиперспектральный анализ данных космического мониторинга потоков радиационной энтропии в атмосфере Земли.

Современное дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) в основном базируется на интерпретации измерений спектральных интенсивностей излучения Lλ [Вт·м-2·мкм-1·ср-1] в разных участках электромагнитного спектра, регистрируемых со спутников. Это означает, что анализируются преимущественно энергетические характеристики спектральных радиационных измерений. Спектральная радиационная энтропия Sλ [Вт·К-1·м-2·мкм-1·ср-1] является не менее фундаментальной характеристикой излучения нежели энергетическая спектральная интенсивность, однако до настоящего времени информационное содержание Sλ практически не использовалось при решении задач ДЗЗ.
Ситуация может кардинально измениться в связи с ближайшим запуском перспективной космической системы CLARREO (Climate Absolute Radiance and Refractivity Observatory). Главная особенность новейшей системы состоит в использовании гиперспектрометров в качестве основных измерительных приборов [1]. CLARREO позволяет анализировать практически весь спектр радиационных наблюдений из космоса: уходящую длинноволновую радиацию - УДР (в диапазоне 200–2000 cm–1 или 5–50 мкм, что составляет 95% собственного излучения Земли) и уходящую коротковолновую радиацию - УКР (в диапазоне 320–2300 нм, что составляет 96% отраженного солнечного излучения Земли). Максимальное спектральное разрешение для УКР составляет 0.5 cm–1, для УКР – 4-нм, при беспрецедентно высокой точности измерений: для УДР – 0.065 K, для УКР – 0.3%. Эти характеристики дают возможность прецизионно восстанавливать Sλ практически для всего спектра излучения Земли.
В докладе рассматриваются основные подходы к совместному анализу спектральных энергетических и энтропийных метрик при решении задач дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА). Наиболее простым методом анализа дополнительного информационного содержания восстановленных величин Sλ является интерпретация отношения rλ нормализованных значений Snorm=Sλ/Smax и Lnorm=Lλ/Lmax . При этом, поскольку при имитации излучения Земли в виде излучения абсолютно черного тела (АЧТ) отношение rλ=Snorm/Lnorm является линейным трендом по λ, то отклонения от этого тренда могут служить мерой необратимых процессов. Такой анализ особенно важен при изучении влияния малых газовых составляющих на перенос излучения в атмосфере в ходе текущих климатических изменений.
Наибольший практический интерес представляют потоки энтропии в атмосфере, которые тесно, но не прямо, связаны с потоками энтропии, порождаемыми радиационным полем Земли. До появления CLARREO прямое восстановление потоков энтропии в атмосфере с необходимой точностью по данным спутниковых радиационных измерений было весьма затруднительно. Поэтому основной подход к оценке потоков энтропии базировался на использовании результатов восстановления всего набора необходимых геофизических параметров, полученных по данным решения обратных задач применительно к радиационным космическим наблюдениям, и последующих вычислений с использованием уравнения Гиббса, первого закона термодинамики, уравнений непрерывности и материального баланса.
Изменение энтропии в атмосфере состоит из двух частей: изменения потока энтропии, обусловленного обменом энтропией с окружающим пространством (при этом значение потока энтропии может быть, как отрицательным, так и положительным) и вызванного необратимыми процессами внутри системы с положительным производством энтропии. Наблюдения показывают, что рост энтропии системы в целом сопровождается достаточно регулярными проявлениями формирования упорядоченных структур, которые сопровождаются соответствующим уменьшением локальных значений энтропии. Таким образом, одновременно с «деградацией» упорядоченной солнечной энергии, в системе «Солнце–атмосфера–Земля» идут процессы самоорганизации и усложнения структур окружающей среды. Одним из ярких примеров проявлений такой самоорганизации являются мощные атмосферные вихревые образования – тропические циклоны. Результаты успешной реализации энтропийной модели сильнейшего урагана Катрина были представлены в работе [2].
С появлением данных CLARREO восстановление потоков радиационной энтропии и потоков энтропии в атмосфере, порождаемыми радиационным полем Земли может быть существенно упрощено. Это дает возможность разработки принципиально новых методов ДЗА. Современные методы численного моделирования позволяют уже сейчас апробировать новые подходы к решению задач идентификации наиболее опасных аномалий динамики геофизических параметров в атмосфере Земли на основе совместного анализа спектральных энергетических и энтропийных метрик.