Алгоритм для слежения за ледяным покровом повысит безопасность судоходства

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.

Ученые 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, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Полученная 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», — рассказал участник коллектива из ИПФ РАН, соисполнитель проекта Юрий Титченко, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом по научной работе отдела радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН.

Результаты исследований, поддержанных грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».