Ученые предложили отслеживать изменение частот радиоволн, излученных спутниками систем GPS и ГЛОНАСС и отраженных от поверхности Земли, для наблюдения за ледяным покровом Мирового океана. Разброс частот отраженных радиоволн зависит от характеристик отражающей поверхности. Это позволяет, например, отличить лед от открытой воды, что критически важно для климатических исследований и обеспечения безопасного судоходства. Предложенный подход закладывает основу для разработки автоматизированного алгоритма контроля ледяного покрова в Арктике и Антарктике. Результаты исследований, поддержанных грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».
Площадь ледяного покрова играет важную роль в регулировании климата Земли, поскольку она влияет на температуру воздуха, а также на перемещение океанических и воздушных масс, то есть на течение и ветер. Однако отслеживать площадь, занятую льдами, и то, как она меняется из года в год и в зависимости от сезона, довольно сложно, потому что полярные регионы труднодоступны для постоянных наблюдений. При этом следить за ледяным покровом важно не только для контроля климатических изменений, но и для обеспечения безопасности судоходства в Арктике и Антарктике. Традиционно для мониторинга используют радиометры, а также инфракрасные и оптические сенсоры. Первые разделяют воду и лед по «температуре поверхности» на разных частотах СВЧ-радиоволн, вторые — по «температуре» в инфракрасном диапазоне, а третьи — по характеристикам отражения солнечного света. Однако эти методы зависят от погоды: облака и туман могут полностью блокировать оптические измерения и исказить температурные показатели. Поэтому разработка новых доступных и точных методов дистанционного зондирования остается актуальной.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова (Нижний Новгород) и Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (Солнечногорск) предложили использовать сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (например, GPS и ГЛОНАСС) для картирования ледяного покрова Арктики и Антарктики.
В исследовании авторы анализировали сигналы GPS в L-диапазоне, которые отражались от морской поверхности и регистрировались специальным спутником-приемником. Волны L-диапазона представляют собой радиоволны с частотой 1–2 ГГц, которые отлично проникают сквозь облака. Кроме того, этот диапазон чувствителен к поверхности: отражаясь ото льда и воды, он меняет форму частотного спектра, который возникает из-за эффекта Доплера.
Измеряемые характеристики отраженного навигационного сигнала и доплеровские спектры для взволнованной водной поверхности (слева) и для ледяного покрова (справа)Д.А. Ковалдов и др. / «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2024Ученые использовали данные со спутника, полученные для Охотского моря, а также южной части Атлантического океана и моря Уэдделла у берегов Антарктиды. Анализируя изменения частоты сигналов — доплеровские спектры, — исследователи смогли определить, от чего эти сигналы отразились — ото льда или от воды. Ключевым отличием стало то, что морской лед отражает сигналы как плоская поверхность, тогда как на открытой воде даже при полном штиле есть волны. В результате отражение ото льда на спектре выглядит как острый пик, а от воды — как пологий «колокол».
В результате обработки большого массива экспериментальных измерений ученые разработали модель, предсказывающую форму доплеровского спектра сигнала, отраженного от ледяного покрова или открытой воды при разных условиях зондирования. При построении модели авторы, помимо L-диапазона сигнала, учитывали еще один — более высокочастотный (12–18 ГГц) Ku-диапазон. Он обеспечивает большую детализацию (лучшее пространственное разрешение), чем L-диапазон — позволяет «увидеть» мелкую структуру льда, но сильнее ослабляется дождем и облаками. Сравнение Ku- и L-диапазонов позволило убедиться в надежности выявленных закономерностей.
Коллектив авторов из ИПФ РАН. Слева направо Юрий Титченко, Дмитрий Ковалдов, Владимир КараевЮрий ТитченкоПолученная модель дает возможность определять тип поверхности по форме доплеровского спектра. Алгоритм анализирует два ключевых параметра: «остроту» спектра (коэффициент эксцесса) и его ширину (дисперсию). Чем более высок и узок пик в спектре, тем выше вероятность, что сигнал отразился ото льда. Практические испытания в Охотском море показали высокую эффективность метода, демонстрируя надежную работу даже в сложных метеоусловиях.
«Предложенный способ может использоваться для картографирования ледяного покрова в Арктике и Антарктике, в том числе для наблюдения за климатом Земли и для нужд Северного морского пути. При этом метод можно реализовать с помощью существующих спутниковых систем и перспективных российских разработок, благодаря чему его внедрение можно считать экономически выгодным», — рассказывает участник коллектива из ИПФ РАН, соисполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юрий Титченко, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом по научной работе отдела радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН.