Объединенная команда ученых из Института космических исследований РАН и Института водных и экологических проблем СО РАН по спутниковым данным микроволнового диапазона исследовала зависимость интенсивности собственного излучения антарктического ледникового покрова от климатических изменений. Результаты работы опубликованы в журналах «Исследование Земли из космоса» и Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics.
Антарктида — не только часть климатической системы Земли, но и индикатор глобальных климатических процессов. Баланс массы ледников, уровень Мирового океана могут значительно трансформироваться из-за климатических изменений. Из-за сложного географического ландшафта и сурового климата полевые исследования континента очень сложны и дорогостоящи. Поэтому здесь применяют удаленные исследования, в частности дистанционное микроволновое зондирование. Специалисты используют их, чтобы оценить скорость накопления снега, проследить баланс массы ледников.
Для разъяснения значения данных спутниковой микроволновой радиометрии — приборов, предназначенных для измерения энергетических характеристик микроволнового излучения, использующих его тепловое действие, — ледника Антарктиды нужно, чтобы была четкая связь изменений яркостной температуры (фотометрической величины, которая характеризует интенсивность излучения) и физических характеристик поверхностных снежно-фирновых слоев (фирн — плотно слежавшийся зернистый снег. — Прим. автора). «Существует множество моделей, которые описывают взаимодействие микроволнового излучения со средой, состоящей из снежно-фирновых и ледяных слоев. Но не всегда теоретические расчеты соответствуют измерениям спутников из-за того, что трудно учитывать все факторы: слоистость, размер ледяных зерен, температуру, плотность. В исследовании мы применяли электродинамическую модель собственного микроволнового излучения, которая учитывает структурные особенности каждого слоя покрова: плотность, средний размер ледяных гранул, дисперсию их размеров, влажность — это разработка Института космических исследований РАН (Москва). Она успешно использовалась для оценки глубины сезонного промерзания почвенного покрова, толщины пресноводного льда, например на Байкале и Онежском озере», — говорит заведующий лабораторией физики процессов атмосферно-гидросферных процессов ИВЭП СО РАН доктор технических наук Андрей Николаевич Романов.
Регионом исследований была выбрана Земля Королевы Мод, а также точки маршрута шведско-японской экспедиции, проведенной на этой территории в 2007—2008 годах. Они нужны, чтобы сравнить модельные расчеты и спутниковые показатели. Этот регион Антарктиды включает в себя ледяной купол, область стоковых ветров и прибрежную зону — основные климатические области Антарктиды.
Для того чтобы проследить сезонную и межгодовую динамику яркостных температур снежно-фирновых слоев некоторых районов континента и провести анализ сезонных колебаний различных климатических характеристик, ученые использовали данные разных приборов. Для этого они применяли многочастотный зонд со специальным датчиком микроволнового изображения прибора SSMIS (Special Sensor Microwave Imager Sounder) американской программы DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) и радиометр для получения изображений в микроволновом диапазоне с использованием апертурного синтеза — метода радионаблюдений — MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis), установленный на спутнике Европейского космического агентства SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity).
Применение микроволновых радиометров позволило специалистам заглянуть внутрь снежно-фирновой толщи. Использование радиометров, принимающих излучение на различных частотах, позволяет исследовать электромагнитный сигнал, приходящий с разных глубин ледникового щита. Благодаря этому ученые отследили изменения, происходящие в слоях снега и фирна разной глубины, и сопоставили их с динамикой температуры воздуха, давления, скорости и направления ветра, интенсивностью осадков.
Во всех регионах, в том числе и на территории Антарктиды с более холодным и стабильным климатом, перемены температуры воздуха совпадают с динамикой яркостной температуры. Чем выше частота излучения, тем сильнее эта взаимосвязь. Причина в том, что излучение с поверхности снежно-фирновой массы принимается радиометром (SSMIS) на высоких частотах. Верхние слои снежно-фирнового покрова в большей степени подвержены климатическим изменениям температуры, осадкам, ветровым переносам снега. Из-за близости океана в прибрежной зоне континента происходят резкие локальные климатические изменения. Из-за относительно высокой температуры в летний период (около 0° С и выше) снег тает, вызывая вариации интенсивности излучения. Поэтому в прибрежных зонах Антарктиды на высокой частоте она зависит от таяния снежного покрова и выпадения осадков.
Для ледяного купола и зоны стоковых ветров, где толщина льда превышает два километра, сезонных и межгодовых изменений яркостной температуры на низкой частоте (1,4 ГГц, MIRAS) нет. На такой глубине работает своеобразный холодильник, который поддерживает постоянную температуру в течение года. В этом случае происходит прямая зависимость абсолютной (термодинамической) температуры глубоких слоев снежно-фирновой толщи и интенсивности излучения. Однако в прибрежной зоне ученые отмечают небольшую динамику яркостной температуры на частоте радиометра MIRAS. Это связано с тем, что на некоторых участках толщина ледникового покрова может быть меньше глубины эффективно излучающего слоя. Тогда радиометр принимает излучение как от грунта, так и от снежно-фирновой массы.
Измерение осадков в Антарктиде — довольно сложный и трудоемкий процесс, осуществить который наземными методами едва ли возможно, так как для этого потребуется очень большое количество наблюдательных постов, расположенных на территории всего материка. Но с использованием разработанных дистанционных микроволновых методов ежедневный мониторинг осадков в Антарктиде становится реальностью. «Мы выявили основные факторы, влияющие на изменение яркостной температуры в разных областях ледникового щита континента. Полученные нашей группой результаты можно использовать, например, для анализа процессов снегонакопления, оценки и уточнения запасов льда, а также обнаружения участков интенсивного таяния», — комментирует Андрей Романов.
Анастасия Федотова
Информация представлена Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
Источник фото: https://www.sbras.ru
