2.4. Фундаментальные и прикладные научные исследования планеты Земля

Тема КЛИМАТ. Изучение изменчивости климатических параметров и природные катастрофы разных масштабов: развитие и анализ физических механизмов, разработка современных методов обработки данных космического мониторинга климатических и экологических процессов. (Гос. Регистрация № 01.20.03 03440).

Научные руководители темы: д.ф.-м.н. Н.М. Астафьева, д.т.н. Е.А. Лупян, д.ф.-м.н., профессор Е.А. Шарков.

В рамках темы КЛИМАТ продолжалось изучение изменчивости климатических параметров и характеристик природных вихрей и явлений, происходящих в системе океан–атмосфера и оказывающих влияние на формирование климата; создание и пополнение долговременных архивов спутниковых данных и результатов их первичной обработки, необходимых для изучения климатических изменений; разработка методов анализа данных космического мониторинга климатических и экологических процессов. В результате исследований, проведенных по этим направлениям в течение 2008 года, получены следующие результаты.

Изучение термодинамических процессов системы океан-атмосфера, влияющих на изменения климата (на основе микроволнового спутникового мониторинга): перенос влаги и тепла в атмосфере, природные катастрофы в системе океан-атмосфера (Эль-Ниньо, тропические циклоны), неустойчивость зональных потоков, волны и вихри в атмосфере (пункты плана научно-исследовательских работ 2008 г. № 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4, 4.1.8, 4.1.9)

Спутниковый мониторинг Земли предоставляет данные наблюдения за процессами в атмосфере в виде полей и позволяет наблюдать и изучать особенности быстро эволюционирующих атмосферных вихревых движений с большими горизонтальными масштабами. Они являются важным элементом общей циркуляции атмосферы, вносят большой вклад в полярный перенос массы (влаги особенно) и тепла в атмосфере и тем самым участвуют в формировании погоды и климата планеты. В настоящей работе представлены результаты детального изучения пространственно-временного распределения среднегодовой и среднемесячной радиояркостной температуры в атмосфере Земли над акваторией Атлантического океана на основе анализа широтно-временных диаграмм и кривых, построенных по радиотепловым полям Земли (из электронной коллекции GLOBAL-Field), содержащим информацию о распределении влаго- и водозапаса тропосферы за 8 лет, с 1999 по 2006 гг. Выявлены междугодовые и сезонные особенности широтного распределения.

Для детального изучения внутри- и междугодовых изменений широтного распределения радиояркостной температуры сконструированы широтно-временные диаграммы (с использованием глобальных радиотепловых полей из электронной коллекции Global-Field). Диаграмма строится следующим образом: на глобальном радиотепловом поле выбирается область исследования — Атлантический океан в нашем случае; радиояркостная температура в выбранной области усредняется по долготе и в результате получается распределение радиояркостной температуры по широте в заданный день; в широтно-временной диаграмме последовательно ото дня ко дню собирается информация о средне-долготном распределении радиояркостной температуры на разных широтах.

Поле радиояркостной температуры с выделенной областью — акваторией Атлантического океана (вверху); широтно-временная диаграмма и кривая широтного распределения радиояркостной температуры (внизу)

Кривая широтного распределения радиояркостной температуры построена путем усреднения по времени информации, содержащейся в диаграмме. Анализ широтно-временных диаграмм и кривых позволяет выявить характерные особенности широтного распределения радиояркостной температуры и изучить распределение влаго- и водозапаса тропосферы по широте от суток к суткам в течение года.

Можно выделить междугодовые и сезонные колебания повышенной интенсивности радиояркостной температуры в приэкваториальной области — зоны внутритропической конвергенции (в Атлантике она располагается севернее экватора).

Кривые широтного распределения радиояркостной температуры за период 1999-2006 гг. смещены друг относительно друга на 10К (т.е. температурная шкала верна для самого нижнего графика — для 1999 г.). Наблюдаются междугодовые колебания максимума интенсивности внутритропической зоны конвергенции (максимума радиояркостной температуры вблизи экватора) с положительным трендом и расположения границы снежно-ледового покрова (минимума радиояркостной температуры в высоких широтах) в Северном и Южном полушариях.

Детальное сравнение среднемесячных кривых за период 1999-2006 гг. выявляет внутригодовые широтные колебания местоположения максимума внутритропической зоны конвергенции и границы образования и таяния снежно-ледового покрова в обоих полушариях. Междугодовые колебания: в 2002-2004 гг. произошло небольшое смещение положения северного минимума радиояркостной температуры (связан с наступлением осенне-зимнего сезона и с границей снежно-ледового покрова в Северном полушарии) на север приблизительно на 1º; в период 1999-2000 гг. произошло заметное перемещение южного минимума (связан с границей снежно-ледового покрова в Южном полушарии) на 4-5º на север, в 2000-2006 гг. граница испытывала лишь небольшие колебания.

Анализ широтно-временных диаграмм показывает, что большая часть атмосферных фронтов и экстратропических циклонов в средних и средне-высоких широтах Атлантики проходит над Датским проливом.

Серия широтно-временных диаграмм, построенных для области над Датским проливом за период 1999-2006 гг. На широтно-временных диаграммах детали с повышенной радиоркостной температурой являются следами (отпечатками) атмосферных фронтов и экстратропических циклонов, несущих с собой вмороженный в движущиеся воздушные массы водяной пар. Проведенные кривые соединяют начало роста (и спада) радиояркостной температуры — начало образования (и исчезновение) снежно-ледового покрова.

Месяц образования ледового покрова соответствует началу осенне-зимнего сезона, месяц таяния ледового покрова соответствует наступлению весенне-летнего сезона. Представленные результаты демонстрируют заметную корреляцию между началом и длительностью осенне-зимнего сезона: чем раньше он начинается, тем дольше длится. Отметим, что самый короткий осенне-зимний сезон был в 2002 году (начался примерно в 25 числах декабря); максимальное смещение времени образования снежно-ледового покрова за рассматриваемый период составило 81 день (между 1999 и 2002 гг.). Проведенные исследования показали связь между временем начала осенне-зимнего сезона и поздними экстратропическими циклонами.

График начала осенне-зимнего сезона и наличие поздних экстратропических циклонов — отмечено штрихами, их цвет и длина показывают интенсивность и время жизни поздних экстратропических циклонов (см. справа вверху)

Совместный анализ треков тропических циклонов по данным NHC-TPC NOAA (National Hurricane Center – Tropical Prediction Center NOAA) и кривых широтного распределения среднемесячной радиояркостной температуры показал высокую корреляцию между временем жизни и количеством поздних экстратропических циклонов и временем образования снежно-ледового покрова в северной Атлантике. Тропические циклоны, формирующиеся в приэкваториальной зоне и продвигающиеся в более высокие широты, играют важную роль в переносе влаги (и тепла) из экваториальных областей в средние и средне-высокие широты. В высоких широтах в осенний период температура воздуха низкая; влага, которую приносят экстратропические циклоны, конденсируется и выпадают осадки в виде снега.

Результаты работы свидетельствуют о том, что как на продвижение тропических циклонов, так и на образование северного снежно-ледового покрова влияет крупномасштабная атмосферная ситуация над северной Атлантикой.

Г.Р. Хайруллина, д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru

"Влажностный критерий" для прогноза развития Эль-Ниньо выработан на основе комплексного анализа серии глобальных радиотепловых полей за 1995-2005гг. из электронной коллекции GLOBAL-Field (2 глобальных поля в сутки с разрешением 0.5х0.5° по поверхности), сформированной в ИКИ РАН по данным спутникового мониторинга Земли (полосовым данным приборов SSM/I, программа DMSP).

Пространственное распределение влагозапаса тропосферы (интегрального по высоте количества водяного пара в тропосфере) хорошо согласуется с динамикой Эль-Ниньо, влияющего на структуру общей циркуляции атмосферы и развивающегося под ее влиянием, т.е. представляющего собой хороший пример существования прямых и обратных причинно-следственных связей в системе океан-атмосфера.

Эль-Ниньо развивается в Тихом океане в экваториальном восточном зональном атмосферном потоке, но имеет более ранние проявления в динамике атмосферы средних широт — в возмущениях западного зонального течения. Глубина проникновения "языка" сухого прохладного воздуха из зоны Юго-Тихоокеанского центра действия на северо-запад заметно уменьшается в периоды сильного Эль-Ниньо и может служить предиктором развития и интенсивности этого катастрофического природного явления (для сравнения на графике приведен индекс Южного колебания).

Влажностный критерий, сформированный на основе пространственного распределения интегрального влагозапаса атмосферы, может быть хорошим предиктором развития Эль Ниньо.

д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru

Сформированный ранее архив данных микроволнового зондирования планеты за 1999–2006 гг. пополнен данными 2007 г. Проводится накопление данных за 2008 г. Архив постоянно пополняется и используется для построения глобальных радиотепловых полей планеты.

к.ф.-м.н., зав. лаб. М.Д. Раев, 333-43-01, mraev@iki.rssi.ru, отд. 55.

Продолжалась разработка комплексных методик обработки многолетних данных многоканального радиотеплового зондирования Земли приборами SSM-I, предназначенных для изучения термодинамических процессов в системе океан–атмосфера. Методики, которые позволят получить поля завихренности в отдельных регионах тропической зоны на основе глобальных радиотепловых полей Земли из электронной коллекции GLOBAL–Field, созданной в отделе 55 ИКИ по данным микроволнового спутникового мониторинга в рамках программы DMSP, находятся в процессе разработки. Методики будут использованы, в частности, для изучения устойчивости зональных потоков в атмосфере Земли.

1. Астафьева Н.М., Раев М.Д., Комарова Н.Ю. Региональная неоднородность климатических изменений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сб. статей. Вып.5. Том I. 2008. С. 410–418.

2. Астафьева Н.М., Раев М.Д., Шарков Е.А. Междугодовые и сезонные изменения радиотеплового поля Земли по данным микроволнового спутникового мониторинга // Исследования Земли из космоса, 2008. № 5. С. 9-15.

3. Астафьева Н.М., Шарков Е.А. Траектория и эволюция урагана ALBERTO от тропических до средних и средневысоких широт: спутниковая микроволновая радиометрия // Исследования Земли из космоса, 2008. № 6. С. 60-66.

4. Онищенко О.Г., Астафьева Н.М. Структура и эволюция цепочек вихрей синоптического масштаба, формирующихся в зональном ветре в атмосфере Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сб. статей. Вып.5. Том I. 2008. С. 506–514.

5. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. Генерация крупномасштабных вихрей и зональных ветров в атмосферах планет // Успехи физических наук РАН, 2008. Т. 178. № 6. С. 605-618.

6. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М., Шаталов С.И. Синергетика планетарных структур // Сборник трудов в рамках Программы 16. 2008. С.

7. Федулов К.В., Астафьева Н.М. Структура климатических изменений по палеоданным и данным инструментальной эпохи // Москва, Препринт № 2150, ИКИ РАН, 2008. 73 С.

8. Хайруллина Г.Р., Астафьева Н.М. Элементы общей циркуляции и распределение влагозапаса атмосферы Земли // Москва, Препринт № 2144, ИКИ РАН, 2008. 64 С.

9. Хайруллина Г.Р., Астафьева Н.М. Построение «диаграммы переноса» для изучения полярного переноса влаги в атмосфере над МО по данным спутникового мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сб. статей. Вып.5. Том I. 2008. С. 521–529.

10. Астафьева Н.М. Исследования тайфунов и циклонов из космоса // 1-ая конференция МАА-РАКЦ "Космос для человечества" 21–23 мая 2008. Королёв, Московская область, Россия. IAA-RACT-R-3. 1-15.

11. Астафьева Н.М. Мониторинг и некоторые возможности прогноза явления Эль-Ниньо с использованием глобальных радиотепловых полей Земли в микроволновом диапазоне // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. С. 111.

12. Астафьева Н.М. Циркуляция атмосферы Земли: зональные потоки, вихри и волны по данным микроволнового спутникового мониторинга (лекция) // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. С. 298.

13. Астафьева Н.М., Раев М.Д., Шарков Е.А. Эволюция глобального радиотеплового поля Земли (1995–2007) и элементы общей циркуляции атмосферы // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. С. 113.

14. Астафьева Н.М., Хайруллина Г.Р. Влияние удаленного атмосферного окружения на траектории тропических циклонов на примере Северной Атлантики // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. С. 112.

15. Астафьева Н.М. Вихри и волны в атмосфере по данным спутникового мониторинга в микроволновом диапазоне // Тезисы докладов Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность. Hydrodynamic instability and turbulence». МГУ, НииМех МГУ, ИПМ РАН. Москва. 24 февраля – 02 марта 2008г. С. 37.

16. Федулов К.В., Астафьева Н.М. Изменение яркостной температуры в северной части Атлантики и NAO // Тезисы докладов V Конференции молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования». ИКИ РАН. Москва. 09 апреля 2008. С. 44.

17. Хайруллина Г.Р., Астафьева Н.М. Широтное распределение влагозапаса в атмосфере Земли // Тезисы докладов V Конференции молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования». ИКИ РАН. Москва. 09 апреля 2008. Ротапринт ИКИ РАН. 2008. С. 46–47.

18. Хайруллина Г.Р., Астафьева Н.М. Широтное распределение радиояркостной температуры над Атлантикой (сезонные и междугодовые изменения) // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. С. 158.

д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru, отд. 55.

Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта N 06-05-64276.

Изучение особенностей тропического циклогенеза на основе анализа характеристик из баз данных по тропическому циклогенезу; изучение электрофизического состояния нижней экваториальной ионосферы под воздействием тропических циклонов (пункты плана научно-исследовательских работ 2008 г. № 4.1.5, 4.1.6, 4.1.7)

На основе специального препроцессинга исходных «сырых» данных в контексте задач изучения изменчивости климатических параметров планеты проведено формирование научной базы данных глобального тропического циклогенеза за 2008г. В связи с поиском малоинерционных и мощных энергетических источников, при поддержке которых происходит формирование и интенсификация зрелых форм тропических циклонов, был проведен детальный анализ первичных («сырых») данных по траекторным характеристикам и затем препроцессинг по предлагаемой методологии двух тропических циклонов, принципиально отличающихся по своему географическому положению и гидрометеорологическим особенностям.

В работе проведен детальный анализ энергетических особенностей тропического циклона Hondo (Южный Индийский океан; 02.02.2008-12.02.2008). Тропический циклон пятой категории Hondo сформировался в тропической зоне акватории Южного Индийского океана из уровня TL, затем быстро интенсифицировался до уровней T и STS в зоне среднего значения интегрального водяного пара акватории Индийского океана и вышел в предантарктическую зону Индийского океана.

По результатам анализа таковым единственным возможным источником является область водяного пара повышенной интегральной концентрации, захваченной циклоном из тропической зоны с муссонной циркуляцией атмосферы и сохраненной им на протяжении всего этапа его эволюции.

Диссипация тропического циклона до уровня TL произошла в результате разрушения внутренней структуры циклона при соприкосновении с холодными и сухими массами воздуха в предантарктической зоне Индийского океана. Затем, однако зона водяного пара была захвачена хвостовой частью крупномасштабной циркуляции сильного тропического циклона Ivan (07.02.2008-18.02.2008) и унесена в северо-западном направлении до о. Мадагаскар, где сформировалась как новое тропическое возмущение типа TD и просуществовало четверо суток (до 26.02.2008) и затем посттайфунная форма была захвачена фронтальными структурами антарктической зоны Индийского океана.

Тропический циклон пятой категории GONU развивался в акватории Аравийского моря и Оманского залива в непосредственной близости от аравийской пустыни Руб-эль-Хали и индостанской пустыни Тар в условиях резко пониженного содержания водяного пара. По результатам анализа энергетическим источником может быть область водяного пара повышенной интегральной концентрации, захваченной циклоном из тропической зоны с муссонной циркуляцией атмосферы и сохраненной им на протяжении всего этапа его эволюции. Диссипация тропического циклона произошла над Ормузским проливом в результате разрушения внутренней структуры циклона при соприкосновении с сушей, а также дальнейшим поглощением всей структуры (включая и унесенный циклоном водяной пар) крупномасштабной циркуляцией фронтальной зоны умеренных широт, которая простирается от пустыни Руб-эль-Хали до Иранского плоскогорья.

Все этапы эволюции тропических циклонов Gonu и Hondo продемонстрированы в виде анимационного представления дистанционных данных.

1. Шарков Е.А., Ким Г.А., Покровская И.В. Эволюция и энергетические особенности тропического циклона “GONU” c использованием метода «слияния» разномасштабных дистанционных данных // Современные проблемы дистанционных зондирования Земли из космоса. Вып. 5. Том I.- М.: ООО «Азбука-2000». 2008. С. 530-538.

2. Ким Г.А., Шарков Е.А., Покровская И.В. Эволюция и энергетическая структура тропического циклона Hondo по данным оптико-микроволнового спутникового зондирования // Тезисы докладов 6 Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С. 131.

3. Шарков Е.А., Ким Г.А., Покровская И.В. Эволюция тропического циклона Gonu и его связь с полем интегрального водяного пара в экваториальной области // Исследование Земли из космоса. 2008. № 6. С. 25-30.

глав. спец. Покровская И.В., д.ф.-м.н., зав. отд. Е.А. Шарков, easharkov@iki.rssi.ru, отд. 55. Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 06-05-64276-а.

Проведено сопоставление влияния солнечной активности на нижнюю экваториальную ионосферу в дни с наличием тропических циклонов и без них. Для решения поставленной задачи были привлечены данные ракетного зондирования ионосферы (п. Тумба) и спутникового мониторинга тропического циклогенеза в акваториях Индийского и Тихого океанов. Измерения проводились Центральной аэрологической обсерваторией (ЦАО) Росгидрометеоцентра на экваториальном полигоне ракетного зондирования Тумба (8°N, 77°E).

Еще несколько лет назад считалось, что влияние волновой радиации Солнца на область D в чистом виде может быть оценено по наблюдениям в низких широтах, поскольку там отсутствуют такие явления, как, например, зимняя аномалия или высыпания высокоэнергичных частиц. На основе банка данных ЦАО ранее было получено, что на высоте 54 км, хотя количество измерений мало, хорошо выделяется обратный эффект возрастания солнечной активности. Положительные коэффициенты корреляции электронной концентрации от индексов солнечной активности (F — суточный индекс, поток радиоизлучения Солнца на 10,7 см и R — относительное число солнечных пятен) получены выше 60 км и вплоть до 80 км они невелики. Коэффициенты регрессии также систематически растут с высотой, что свидетельствует о значительном, увеличивающемся влиянии солнечной активности.

В данной работе анализируются эмпирические модельные распределения электронной концентрации на разных высотах в зависимости от солнечной активности в дни с ТЦ и без них. Электронная концентрация рассматривалась на 5 высотных уровнях: 60, 65,70, 75,80 км. В таблице приведены корреляции.

Высота, км	Rq([e],F),% (1985,1988 гг.)	Rtc([e],F),% (1985,1988 гг.)	Rq([e],F),% (1979-1989 гг.)	Rtc([e],F),% (1979-1988 гг.)
60	-	-	-	-
65	-	44	-	-
70	-	64	-	39
75	64	66	45	33
80	65	58	70	54

На рисунках приведены корреляционные зависимости электронной концентрации [e] (1/cm^3) от индекса солнечной активности F на высотах 60, 65, 70, 75 и 80 км (сверху вниз); рисунки в левой колонке построены на основе данных только для 1985 и 1988 гг., в правой — включают имеющиеся данные за 1979-1989 гг. Красными точками помечены измерения [e] в дни без ТЦ, а черными — в дни с ТЦ.

На основе приведенных в таблице корреляций (для рисунков приводятся только статистически значимые коэффициенты корреляции) можно сделать следующие выводы:

- в целом, зависимость [e] от F с высотой растет, как в дни с ТЦ, так и без них;

- анализ данных за весь солнечный цикл показал, что в дни с ТЦ корреляция является значимой с высоты 70 км и выше, в то время, как для данных за два года с высокой и низкой солнечной активностью — уже с 65 км. Это говорит о том, что выборка данных для всех лет должна проводиться аккуратнее, и есть другие эффекты (возможно, связанные со статистикой), которые затушевывают связь с активностью Солнца;

- анализ данных за весь солнечный цикл показал, что в дни с ТЦ связь с солнечной активностью ослабевает по сравнению с данными в дни без ТЦ. Это противоречит выводу, сделанному ранее (на основе анализа данных только для двух лет), что в дни с ТЦ связь [e] с гелиоактивностью несколько сильнее;

- в целом, на высотах 70-75 км в дни с ТЦ [e] становится меньше, чем в дни с ТЦ. На высоте 80 км влияние ТЦ не выявлено.

Таким образом, влияние тропических циклонов на нижнюю ионосферу существенно и является фактором, который должен учитываться при построении моделей нижней экваториальной ионосферы. Можно сделать вывод о том, что несомненно нижняя ионосфера является индикатором климатических процессов.

1. Л.Б. Ванина-Дарт, И.В. Покровская, Е.А. Шарков Реакция нижней экваториальной ионосферы на сильные тропосферные возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48. № 2. C. 255-260.

2. L.B. Vanina-Dart, E.A. Sharkov Tropical cyclone influence on the atmosphere as one of the major parts of the climate processes // EMS8/ECAC7 Abstracts. Vol. 5. EMS2008-A-00309. 2008. 8th Annual Meeting of the EMS / 7th ECAC, Amsterdam. The Netherlands. 29 September – 03 October 2008.

3. L.B. Vanina-Dart Role of influence of Solar Cosmic Rays on the lower ionosphere in regional climate changes // EMS8/ECAC7 Abstracts. Vol. 5. EMS2008-A-00603. 2008. 8th Annual Meeting of the EMS / 7th ECAC. Amsterdam. The Netherlands. 29 September – 03 October 2008.

4. Ванина-Дарт Л.Б., Шарков Е.А. Влияние тропических циклонов на ионосферу и атмосферу в целом как один из наиважнейших составляющих климатических процессов // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Сборник тезисов конференции, Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г.

Ванина-Дарт Л.Б., 333-13-66, д.ф.-м.н., Е.А. Шарков, easharkov@iki.rssi.ru

Изучение распространения и механизмов усиления низкочастотных акустических волн в атмосфере с учетом изменения поглощающих свойств среды под воздействием солнечного излучения (пункт плана научно-исследовательских работ 2008 г. № 4.1.10)

Выполнено численное моделирование одномерных и двумерных (цилиндрических и осесимметричных) низкочастотных волновых движений идеального газа в условиях земной атмосферы. Исследовалось влияние поглощающих свойств находящихся в атмосфере примесей на рост и динамику волн, а также резонансные эффекты при взаимодействии акустических волн с вертикальными вихревыми структурами. На основе расчетов получены следующие результаты.

При достаточно высокой непрозрачности атмосферы возможно усиление плоских волн с монотонным увеличением их амплитуды и с образованием слабых ударных волн. Данный вывод согласуется с получаемым в рамках приближенной слабо нелинейной теории.

Зависимость от времени амплитуды двумерных цилиндрических или осесимметричных волн, вообще говоря, не является монотонной. На начальной стадии распространения волны могут доминировать геометрические факторы, ослабляющие ее интенсивность. В более поздние промежутки времени становятся существенными приток энергии к частицам среды в фазе сжатия и рост амплитуды волны.

В случае наличия в атмосфере плоского поглощающего слоя примеси имеет место анизотропия положения максимумов амплитуды волны из-за различия в скорости тепловыделения в параллельном и в перпендикулярном к слою направлениях.

Исследованы резонансные эффекты при распространении акустических волн в неоднородной атмосфере применительно к простейшей вихревой структуре — вертикальный вихрь, отвечающий твердотельному вращению с максимумом скорости на фиксированном расстоянии от оси вихря. Путем численных расчетов найдены частоты осесимметричных возмущений, близкие к определяемым по приближенной теории изотермических движений.

В целом в результате математического моделирования впервые установлены эффекты усиления двумерных возмущений в нагреваемой солнечным излучением атмосфере и численно определен отклик вихревого движения на внешние низкочастотные возмущения.

1. Краснобаев К.В. Двумерные нелинейные волновые движения в нагреваемой солнечным излучением атмосфере // Тезисы докладов научной конференции «Ломоносовские чтения». Москва, 2008.

2. Краснобаев К.В. Перенос энергии низкочастотными нелинейными волнами, возбуждаемыми в нейтральной атмосфере // Тезисы докладов 6 Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С. 134.

д.ф.-м.н. Краснобаев К.В., отд.53

Определение пространственной структуры снегозапасов из данных микроволновой спутниковой радиометрии и по наземным измерениям в природных зонах России; микроволновые методы исследования гетерогенных сред, содержащей рудные минералы (пункты плана научно-исследовательских работ 2008 г. № 4.1.11, 4.1.12)

Исследуемой территорией являлся север Восточно-Европейской равнины и северная часть Западной Сибири. Для исследований были использованы данные наземных метеорологических наблюдений и спутниковые данные. Проведено сравнение изменений приземной температуры воздуха и радиояркостных температур, получаемых приборами SSM/I на спутниках программы DMSP. Для репрезентативных точек на период снегонакопления (положительные приросты суточных значений снегозапасов) сравнивались суточные приросты приземной температуры воздуха и приросты радиояркостной температуры. Для исследуемого региона оценивалась также пространственное распределение радиояркостных температур, высоты снежного покрова и температур воздуха на начало и середину зимы 2001-2002 гг. Оценена также изменчивость индекса NDVI предшествующего летнего сезона — на июнь 2001 г. Выполнены модельные расчеты радиояркостной температуры (с учетом излучения и отражения атмосферы, диаграммы направленности антенны, а также полосы пропускания) для зимнего сезона 2001-2002 гг., для четырех участков, расположенных вблизи наземных метеостанций.

Снегозапасы Северной Евразии в последние десятилетия характеризуются небольшим ростом, на фоне увеличения осадков в процессе потепления — за счет преобладающих холодных условий зимнего периода. Многолетняя изменчивость снегозапасов имеет хорошо выраженную пространственную неоднородность и, таким образом, изменения снежного покрова являются хорошим индикатором текущих изменений климата. В связи с этим, мониторинг земной поверхности в зимнее время, и в особенности с использованием космической информации, приобретает большое значение.

Региональная максимальная толщина снега наблюдается в феврале и, мало различаясь по территории, незначительно увеличивается от Скандинавии к Восточно-Европейской равнине и далее к п-ву Ямал: 45,1, 45,6 и 45,7 см. В этом же направлении снижается температура воздуха: в феврале -6,5, -8,4 и -24,4°С соответственно. Величина приростов снегозапасов максимальна в декабре на севере Восточно-Европейской равнины, а на севере Западной Сибири — в ноябре, что связано с более быстрым здесь сезонным снижением температуры воздуха. Среднемесячные максимумы приростов незначительно меняются по величине от Скандинавии к северу Восточно-Европейской равнины и далее к п-ву Ямал — в среднем по регионам соответственно 12,5, 13,5 и 9,4 см.

Проведено сравнение изменений приземной температуры воздуха и радиояркостных температур, получаемых приборами SSM/I на спутниках программы DMSP. Для репрезентативных точек на период снегонакопления (положительные приросты суточных значений снегозапасов) сравнивались суточные приросты приземной температуры воздуха и приросты радиояркостной температуры. Выявлено, что лучшая корреляция температур характерна для нисходящей орбиты спутника в сравнении с восходящей — соответственно 0,60-0,62 и 0,40-0,45. Также, при нисходящей орбите корреляция приземных и радиояркостных температур остается более высокой на фоне всего регионального диапазона изменений параметров растительности — процента лесистости и индекса NDVI. Следовательно, наблюдения радиояркостных температур на нисходящей орбите спутника более предпочтительны для оценок связи микроволнового излучения и состояния поверхности, поскольку получаемые дистанционные данные более зависимы от метеорологического режима и изменений растительного покрова.

Для исследуемого региона оценивалась также пространственное распределение радиояркостных температур, высоты снежного покрова и температур воздуха на начало и середину зимы 2001-2002 гг. Оценена также изменчивость индекса NDVI предшествующего летнего сезона — на июнь 2001 г. и таким образом охарактеризована пространственная изменчивость растительного покрова региона.

Пространственные изменения радиояркостных температур вдоль параллелей 60°, 64° и 68°с.ш. от 27° до 70°з.д. — в декабре, январе и феврале (сверху вниз) 2001-2002 гг. Как показывает изменчивость радиояркостных температур с запада на восток, значительные помехи в их измерение взносят водные поверхности — в данном случае Онежское и Ладожское озера с прилегающими к ним заболоченными пространствами, Белое и Баренцево моря. Эти помехи значительны на западе и севере региона, где ход радиояркостных температур в корне отличается от плавного хода приземной температуры воздуха. Сходство между ходом радиояркостных температур (восточнее 35°в.д.) и температуры воздуха состоит в зональном понижении температуры с юга на север и в понижении с запада на восток в связи с удалением от Атлантики и ослаблением отепляющего воздействия Гольфстрима.

Ход радиояркостных температур и индекса NDVI во многом совпадает. Оба показателя уменьшаются к северу, в значительной степени независимо друг от друга следуя характеру зональной изменчивости. Их изменения также во многом взаимосвязано и при движении с запада на восток — так коэффициент корреляции радиояркостных температур и величин индексов NDVI для 60-й параллели составляет 0,75. Изменения радиояркостной температуры в значительной степени определяются изменениями растительного покрова.

Тенденция пространственных изменений снежного покрова в целом соответствует изменениям радиояркостных температур будучи, однако, более вариабельной. На графиках представлены пространственные изменения параметров вдоль параллелей 60°, 64° и 68°с.ш. от 27° до 70°з.д.: средняя температура воздуха за ноябрь-февраль включительно (вверху); индексы NDVI за июнь 2001 г. (в середине); высота снежного покрова максимальная на февраль (внизу). Радиояркостная температура снежного покрова сильно зависит от его физических параметров: плотности, толщины, влажности, размера ледяных зерен и дисперсии их размеров. Характер этой зависимости определяется стратиграфией снежной толщи.

Ранее, нами были рассмотрены несколько моделей снежного покрова. Снежный покров представлялся средой состоящей изо льда и воздуха — в случае сухого снега и льда, воздуха и воды — в случае влажного снега. Включения льда и воды предполагались сферической формы с логарифмически-нормальным распределением по размерам. Влажный снег моделировался двумя способами: модель I — воздушная среда, содержащая ледяные зерна и капли воды, модель II — воздушная среда, содержащая ледяные зерна, покрытые пленкой воды, и капли воды. Проведенные исследования показали, что наиболее предпочтительной является модель II.

Модельные расчеты радиояркостной температуры (с учетом излучения и отражения атмосферы, диаграммы направленности антенны, а также полосы пропускания) были проведены для зимнего сезона 2001-2002 гг., для четырех участков, расположенных вблизи наземных метеостанций.

На рисунке представлены данные SSM/I для выбранных четырех участков, за период с 31 декабря 2001 г. по 1 марта 2002 г., для частоты 19,35 ГГц с вертикальной поляризации (синие значки). На этих же рисунках показаны модельные расчеты (красные значки), выполненные для трех дат: 31.12.2001, 15.01.2002, 15.02.02002. Предложенная модель снежного покрова хорошо соответствует спутниковым данным. Для боле точных расчетов необходим учет слоистости (стратиграфии) снежного покрова.

1. V.V. Tikhonov, D.A. Bojarskiy, L.M. Kitaev, M.D. Raev, E.A. Cherenkova Regional features of microwave radiation and snow cover interaction on the example of the north of the European part of Russia // 10th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing of Environment. Abstracts, 11-14 March 2008, Firenze, Italy, p. 202.

2. V.V. Tikhonov, D.A. Bojarskiy, L.M. Kitaev, M.D. Raev, E.A. Cherenkova Regional Features of Microwave Radiation and Snow Cover Interaction on the Example of the North of the European Part of Russia // Proceeding of 10th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing of Environment. 11-14 March 2008, Firenze, Italy, CD-ROM, report 152, 4 p.

ст.н.с. к.ф.-м.н. Д.А. Боярский, 333-50-78, dboyarski@rambler.ru, отд. 55.

Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта N 06-05-65195.

Дистанционные методы исследования поверхности Земли и планет находят практическое применение в разнообразных областях хозяйствования и научных исследований. В последнее время, аэрокосмическое зондирование широко используется в поисковой и инженерной геологии: поиск полезных ископаемых, строительных материалов, исследование состояния дамб и т.п. Основной проблемой, препятствующей развитию этого направления, является недостаточная исследованность диэлектрических и радиофизических характеристик породообразующих минералов и, в первую очередь, рудных минералов, а также горных пород, содержащих рудные минералы. В ходе работы исследовались образцы медной руды с различным процентным содержанием меди. Изучены десятки образцов медной руды, на которых стандартной методикой измерялись зависимости отражательной R и пропускательной T способности в диапазоне частот от 12 до 38 ГГц. Использовался панорамный измеритель коэффициента стоячей волны (КСВН) и ослабления, типа: Р2-65 (диапазон частот 25-38 ГГц), Р2-66 (17-26 ГГц), Р2-67 (12-17 ГГц).

Структурная схема экспериментальной установки для измерения коэффициента стоячей волны (КСВН) — панорамного измерителя КСВН и ослабления. 1 - аттенюатор, 2 - переход, 3 - направленный ответвитель падающей волны (НО 1), 4 - направленный ответвитель отраженной волны (НО 2), 5 – измеряемый объект.

В основу построения структурной схемы панорамных измерителей положен принцип раздельного выделения и непосредственного детектирования сигналов падающей и отраженной волны. Сигнал, пропорциональный мощности волны, падающей на исследуемый образец, выделяется направленным ответвителем НО 1; отраженный от исследуемого образца, выделяется направленным ответвителем НО 2. По шкальному устройству производится непосредственный отсчет КСВН и ослабления в децибелах. При измерении ослабления волноводная секция с исследуемым образцом включалась между НО 1 и НО 2 для измерения на «проход».

Из экспериментально полученных значений КСВН и ослабления по известным формулам рассчитывалась отражательная R и пропускательная T способность. В эксперименте удавалось измерять значения Т до 10^-4. Погрешность измерений R и T на панорамном измерителе КСВН и ослабления составляла не более 5%. В зависимости от процентного содержания полезного компонента (меди), в исследуемых образцах, наблюдалось существенное различие по отражательной способности между «богатыми» (от 1% до 5% меди) и «бедными» (от 0.01% до 0.5% меди) образцами. Пропускательная способность для всех образцов составляла <10^-2.

Для выполнения теоретических расчетов, была рассмотрена следующая задача.

На плоскопараллельный слой вещества (среда 2) толщиной h и комплексным показателем преломления n, находящийся в вакууме (среда 1), под углом θ=0^°, падает плоская электромагнитная волна с интенсивностью I0. Тогда интенсивность излучения: отраженного от слоя IR, будет определяться соотношением IR=RI0.

В свою очередь, отражательная способность R связана с коэффициентом отражения r соотношением где – коэффициент отражения от границы раздела вакуум-вещество, , l – длина волны излучения, h – толщина слоя, – комплексный показатель преломления вещества, который можно связать с комплексной диэлектрической проницаемостью известными выражениями При , что практически получалось в ходе эксперимента, .

Для определения комплексной диэлектрической проницаемости среды была использована рефракционная модель эффективной диэлектрической проницаемости , которая часто применяется при решении задач дистанционного исследования почвенного покрова. Согласно этой модели, эффективная диэлектрическая проницаемость сложной среды записывается следующим образом , где – объемное содержание и комплексная диэлектрическая проницаемость компонент горной породы (воздуха и минералов). При расчете ε_eff использовались реальные значения V_j и ε_j. Значения ε_j для разных минералов были получены нами в ходе предыдущих исследований; величины V_j были известны заранее. Рассчитанные значения ε_eff, для различных типов медной руды, были использованы при расчете теоретических значений пропускательной способности R образцов.

Экспериментальные и теоретические частотные зависимости R для образцов богатой (~ 5% меди) и бедной (~ 0.25% меди) руды. Теоретические и экспериментальные зависимости хорошо согласуются между собой. Этот факт позволяет приступить к разработке методики дистанционного поиска медных месторождений, выходящих на поверхность планет.

1. О.Н. Полякова, В.В. Тихонов, А.Л. Дзарданов, Д.А. Боярский, Г.Н. Гольцман Диэлектрические характеристики рудных минералов в диапазоне частот 10-40 GHz // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 22. С. 36-43.

2. В.В. Тихонов, О.Н. Полякова, Г.Н. Гольцман, А.Л. Дзарданов, Д.А. Боярский Определение диэлектрических характеристик рудных минералов в микроволновом диапазоне // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2009. № 1 или № 2. Принята в печать.

3. О.Н. Полякова, В.В. Тихонов, А.Л. Дзарданов, Д.А. Боярский,Г.Н. Гольцман Определение диэлектрические характеристики рудных минералов в диапазоне частот 10 - 40 ГГц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сборник научных статей. М.: «ООО Азбука-2000», 2008, Выпуск 5, том 1, с.379-385.

4. Гольцман Г.Н., Дзарданов А.Л., Тихонов В.В., Мельников А.П., Кацер И.И., Какорин В.И., Полякова О.Н. Микроволновый способ разделения руд // Патент на изобретение № 2324549 от 20 мая 2008 г. Опубликовано в бюллетене № 14 от 20.05.08.

5. Полякова О.Н., Тихонов В.В., Дзарданов А.Л., Боярский Д.А., Гольцман Г.Н Моделирование диэлектрических свойств горных пород, содержащих рудные минералы // Тезисы докладов 6 Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С. 235.

ст.н.с. к.ф.-м.н. В.В.Тихонов, 333-50-78, vtikhonov@asp.iki.rssi.ru, отд. 55.

Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта N 06-05-65195.

Разработка критериев, методов и технологии выявления климатически индуцированной динамики растительного покрова наземных экосистем по временным сериям данных спутниковых наблюдений (пункт плана научно-исследовательских работ 2008 г. № 4.1.14)

Совместный анализ данных о растительности, полученных на основе спутниковых наблюдений, и результатов долгосрочных метеорологических измерений позволяет исследовать влияние климатических изменений на состояние растительного покрова суши. Решению этой задачи посвящен исследовательский проект CLIVT, выполняемый ИКИ РАН при поддержке компании Microsoft и направленный на разработку методов и программных инструментов для интегрированного анализа многолетних данных о погоде и динамике растительного покрова.

В исследованиях используются очищенные от влияния мешающих факторов (аппаратные шумы, снежный и облачный покров) многолетние временные ряды спутниковых данных, полученных системами SPOT-Vegetation (1,15 км, 1/10 дней, 1998-2008гг.) и NOAA-AVHRR (8 км, 1/15 дней, 1982-2006гг.). В качестве показателей состояния растительного покрова используются вычисляемые на основе данных спутниковых измерений индексы: нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI и оптимизированный вегетационный индекс OVNI. Указанные индексы характеризуют долю поглощенной земной поверхностью фотосинтетически активной радиации и, следовательно, их временная динамика отражает сезонные и межгодовые вариации развития зеленой растительной биомассы.

К числу важных характеристик растительного покрова, определяющих продуктивность экосистем и обладающих непосредственной зависимостью от климата, относятся временные границы (даты начала и окончания) вегетационного сезона. В то же время сравнение результатов использования ранее разработанных алгоритмов определения границ вегетационного сезона на основе временных серий данных спутниковых наблюдений часто приводит к противоречивым результатам, а определения, получаемые на основе данных метеорологических наблюдений, недостаточно формализованы и регионально зависимы. В результате проведенных исследований предложен новый подход к оценке границ вегетационного сезона на основе комбинированного использования данных спутниковых и метеорологических наблюдений, свободный от большинства недостатков, свойственных ранее предложенным методам и критериям.

Возможность совместного анализа разнородных экспериментальных данных для проведения исследований обеспечивается их пространственно-временной и содержательной интеграцией согласно логической схеме интеграции данных.

Комбинирование результатов определения границ вегетационного сезона и метеорологических данных позволило оценить критические значения температуры воздуха, характерные для начала вегетации различных типов растительности. Проведен анализ трендов продуктивности растительности и ключевых климатических параметров. Ниже представлены тренды динамики ежегодных интегральных метеорологических параметров и характеристик продуктивности растительности по данным AVHRR-NOAA в 1982-2006 гг.

Выбраны тестовые регионы, испытывающие значимые долговременные изменения растительного покрова и климатических параметров для детального анализа с привлечением спутниковых данных высокого пространственного разрешения. Разработан экспериментальный образец web-интерфейса доступа к интегрированной базе спутниковых и климатических данных для анализа динамики растительности (http://clivt.iki.rssi.ru).

1. Медведева М.А., Барталев С.А. Исследование долговременной динамики растительности на основе многолетних спутниковых данных // Тезисы докладов V конференции молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования», ИКИ РАН, 8-9 апреля 2008 г, Сборник тезисов конференции.

2. Медведева М.А., С.А. Барталёв, Е.А. Лупян, А.М. Матвеев, В.А. Толпин, А.А. Пойда Оценка значений критических температур начала вегетации разных типов растительного покрова на основе временных рядов NDVI и данных метеорологических наблюдений // Тезисы докладов 6 Открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С. 258.

3. Медведева М.А., С.А. Барталёв, Е.А. Лупян, А.М. Матвеев, В.А. Толпин, А.А. Пойда Возможности оценки момента наступления вегетационного сезона на основе спутниковых и метеорологических данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Вып.5. Том II. 2008. С. 313-321.

4. Барталев С.А., Жижин М.Н., Лупян Е.А., Матвеев М.Ю., Матвеев А.М., Медведева М.А., Савин И.Ю., Толпин В.А. Возможности исследований влияния изменений климата на состояние растительного покрова: концепция проекта CLIVT // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Вып.5. Том II. 2008. С. 272-278.

д.т.н. Барталев С.А., д.т.н. Лупян Е.А., аспирант Медведева М.А., bartalev@902.iki.rssi.ru, отд. 56.