Изменения окружающей среды в регионах с холодным климатом по данным спутниковой микроволновой радиометрии

Регионы с холодным климатом, характеризующиеся наличием вечной мерзлоты и обширным снежным и ледяным покровом, в значительной степени подвержены влиянию климатических изменений. В связи с этим, возникает большая необходимость в получении оперативной информации о процессах, протекающих в ледяных, снежных и гидрологических наземных экосистемах этих регионов. Дистанционное зондирование предоставляет собой мощный и универсальный инструмент для исследования областей с суровыми климатическими условиями, делая «доступными» места, которые в другом случае были бы недоступны или даже неизвестны. Возможность получения данных с обширных площадей, большая частота наблюдений в высоких широтах, независимость сбора данных от солнечной освещенности и атмосферных условий, чувствительность к подповерхностным процессам, а также относительная дешевизна, делает спутниковую микроволновую радиометрию наиболее оптимальным методом мониторинга территорий поверхности Земли отличающихся холодным климатом.
Данный доклад посвящен исследованию и анализу процессов протекающих в замерзающих экосистемах ряда холодных регионов Земли. На основе спутниковых данных, теоретического моделирования и контактных измерений выполнен анализ возможностей спутниковых микроволновых радиометров для наблюдения фенологических фаз ледяного покрова больших пресноводных озер, анализа гидрологического режима крупных эстуариев Арктики в период ледостава, а также определения глубины промерзания почвенного покрова.
Озерный и речной лед играют важную роль в биологических, химических, физических и экологических процессах холодных регионов. Помимо значительного влияния на биофизические и социально-экономические системы, пресноводный лед также является чувствительным индикатором вариаций и изменения климата. По оценкам, пресноводный лед покрывает общую площадь 1,7·млн. кв. км северного полушария и имеет объем 1,6·тыс. куб. км. Ориентировочная площадь пресноводного льда северного полушария равна площади ледяного покрова Гренландии. В докладе представлены результаты анализа фенологических фаз ледяного покрова ряда крупных пресноводных водоемов по данным радиометра MIRAS спутника SMOS (озера: Байкал, Ладожское, Большое Медвежье и Большое Невольничье). Выявленные закономерности сезонных вариаций яркостной температуры могут быть использованы для оценки гидрологических режимов крупных замерзающих водоемов по данным спутниковой микроволновой радиометрии (Тихонов и др., 2017; Хвостов и др., 2017; Tikhonov et al., 2018). Резкое возрастание яркостной температуры на величину порядка 40–90 K в конце зимы – начале весны, соответствует началу разрушения и таяния ледяного покрова, начиная с этого периода лед, становится ненадежным и не может быть использован в качестве естественной переправы через водные объекты (озера, водохранилища).
Российская Арктика привлекает внимание специалистов не только в связи с климатическими изменениями, но также с все более масштабными разработками крупных месторождений нефти и газа, которые влекут за собой обострение экологических проблем в регионе. Крупнейшие реки Арктики, такие, как Обь, Енисей, Лена, Северная Двина, Печора и др. рассматриваются как важнейшие источники поставки в Северный Ледовитый океан дополнительного тепла, а также материала континентального происхождения, включая загрязняющие вещества. Эстуарии арктических рек представляют собой уникальные экосистемы, находящиеся в условиях сложного взаимодействия речных и морских факторов. Они характеризуются сильной изменчивостью и сильной экологической уязвимостью, но при этом обладают значительными природными ресурсами, играющими важную роль в экономике прибрежных регионов. Эстуарии Арктики подвержены очень сильным сезонным воздействиям с существенными колебаниями температуры, солнечной освещенности, ледяного покрова, накоплением воды в снегу, биогенной нагрузки и множеством других факторов, включая антропогенные и техногенные воздействия. Лед эстуариев играет важную роль в регулировании наводнений, речного стока, смешивания вод, концентраций растворенных и твердых частиц, энергетического обмена моря и атмосферы, а также газообмена. Постоянная оперативная информация о гидрологическом режиме эстуариев арктических рек является важнейшим источником при анализе различных природных и климатических процессов, а также оценке интенсивности и мощности антропогенного и техногенного воздействия на прилегающие территории. Исследования динамики яркостной температуры нескольких участков Обской губы за период с 01.01.2012 по 31.10.2016 выявили ряд характерных особенностей. Было обнаружено, что если в пресноводной части Обской губы (устье реки и центральная часть) наблюдается схожая с озерами динамика яркостной температуры, то в «морской» части Обской губы эта динамика нарушается. Яркостная температура, соответствующая открытой водной поверхности, после образования ледяного покрова сильно возрастает до значений характеризующих разрушение льда у пресноводных водоемов и остается относительно стабильной вплоть до начала разрушения ледяного покрова. Яркостная температура в период разрушения льда нестабильна, сильно осциллирует и постепенно понижается до значений яркостной температуры открытой водной поверхности. Выполненные теоретические модельные расчеты и сопоставление их со спутниковыми данными показало, что такое изменение динамики яркостной температуры «морской» части Обской губы, по сравнению с пресноводной областью, объясняется увеличением солености воды и соответственно, сильным возрастанием поглощения излучения в нижнем слое льда, контактирующим с водной поверхностью (Тихонов и др., 2018). Таким образом, выявленные закономерности сезонных вариаций яркостной температуры и связанные с ними фазы ледяного покрова могут быть использованы для оценки гидрологического режима (фронтальной зоны) Обской губы в период ледостава. Поскольку такие характеристики воды эстуария, как пространственное распределение взвешенных твердых частиц, мутность, температура и соленость коррелируют между собой (Baban, 1993; Ray et al., 2013), то можно говорить и об оценке других гидрологических параметров воды под ледяным покровом по данным спутниковой микроволновой радиометрии.
Около 58 % поверхности Земли в северном полушарии сезонно замерзает и оттаивает. Влажность почвы и процессы, связанные с ее замораживанием и оттаиванием, влияют на энергетический баланс, экосистему и гидрологические циклы нашей планеты. Эти характеристики почвы являются ключевыми параметрами в гидрологических исследованиях и моделях климата, так как определяют поверхностный энергетический баланс, а также обмен влаги и углерода между поверхностью почвы и атмосферой. Кроме того, оттаивание и замерзание почвы определяет начало и окончание вегетационного периода. В результате выполненного моделирования яркостной температуры почвенного покрова с верхним сезонно-мерзлым слоем проведено сравнение яркостных температур, определенных со спутника SMOS, и соответствующих им глубин промерзания почвы, измеренных на метеостанциях, расположенных на тестовых участках Кулундинской равнины (Алтайский край). На основе комплексного анализа ежедневных спутниковых данных, результатов полевых измерений и модельных расчетов показана возможность определения глубины промерзания почвы по данным спутниковой микроволновой радиометрии (Боярский и др., 2019).
Представленные в докладе исследования и результаты повысят информативность и точность получаемой спутниковой информации о процессах, проходящих в регионах с холодным климатом, а также позволят провести более качественный анализ происходящих на нашей планете климатических изменений.
Работа выполнена при поддержке темы «Мониторинг» (Государственное задание № 01.20.0.2.00164)" (Тихонов, Боярский , Шарков), Государственного задания № AAAA-A17-117041210242-1 (Романов, Хвостов), грантов РФФИ № 18-05-00753-а (Романов, Хвостов), РФФИ №18-05-00440 (Тихонов, Боярский), РФФИ № 18-05-00427 (Тихонов, Боярский).