Космическое тепловидение при решении задач экологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Космическое тепловидение широко применяется для решения задач экологической безопасности: измерения температуры поверхности воды и суши, определения компонентов энергетического баланса наземных экосистем, теплового загрязнения, антропогенной нагрузки на экосистемы.

Приборы. Космическое тепловидение наряду со съёмками в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне получило широкое распространение ещё в 70-х годах ХХ века. Спутниковые тепловизионные системы прошли достаточно длинный путь эволюции. Современный уровень техники позволяет создавать многоспектральные системы в тепловом ИК диапазоне с разрешением на местности в десятки метров, высокой чувствительностью на уровне 0.1К, квантованием сигнала в 12-14 бит. Массово-габаритные и энергетические характеристики тепловизоров также сократились до 20-30 кг и десятков Ватт.

Наибольший объём спутниковой информации о природных ресурсах в прошедшие десятилетия внесли всего несколько образцов аппаратуры. В первую очередь следует отметить радиометр AVHRR (Cracknell, 1997), успешно функционирующий с 1979 г. по настоящее время в системе POES (Polar Operational Environmental Satellites) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Другим прибором, позволившим получить принципиально новую информацию о земной поверхности, стал радиометр TM(ETM+) на борту спутников серии Landsat. Новым этапом стали спектрорадиометры MODIS и ASTER спутниковой системы EOS (Рис, 2006). Основные технические характеристики сканеров космического базирования, имеющих ИК-тепловые каналы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики ИК-тепловых спутниковых сканеров

Кроме вышеперечисленных, следует отметить сканеры AATSR, установленный на борту спутника ENVISAT и отечественный сканер МСУ-СК - на борту «Космос-1939» (Селиванов и др., 1985). Их отличительной особенностью было наличие сканера с конической разверткой и средним пространственным разрешением. Среди всех сканеров выделяется прибор AVHRR/3, который при массе 33 кг и энергопотреблении 27 Вт обеспечил многолетнюю бесперебойную эксплуатацию на орбите. Прибор следующего поколения VIIRS (см. табл. 2) имеет вес 275 кг и потребляет 200 Вт.

В настоящее время разработки ИК-тепловых систем ведутся несколькими космическими агентствами. Характеристики перспективных систем приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики перспективных спутниковых ИК-систем

Наиболее важной системой с точки зрения исследования землетрясений является сканер VIIRS системы JPSS (Joint Polar Satellite System). Эта система «наследует» спутниковой системе POES. Значимость этой системы определяется долговременностью программы и «наследованием» как спектральных каналов, так и алгоритмов обработки информации. Европейская программа Sentinel призвана заменить тяжёлый спутник Envisat серией более лёгких тематических аппаратов. Японская система GCOM должна прийти на смену ADEOS-2 и Aqua в рамках GEOSS (Global Earth Observation System of Systems). LDCM является продолжением программы Landsat и предназначен в первую очередь для изучения природных ресурсов. Европейская миссия EarthCARE предназначена для изучения радиационного баланса Земли.

Научно-исследовательский институт космического приборостроения в настоящее время является основным разработчиком космической аппаратуры дистанционного зондирования, в том числе и в ИК-тепловом диапазоне. Некоторые разработки, представляющие системы космического тепловидения, показаны в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительная характеристика перспективных отечественных сканеров

Методы обработки данных и результаты. Значительно продвинулись и методы обработки тепловизионной спутниковой информации. В настоящее время доступны материалы космической тепловой съёмки с высоким уровнем обработки, включающим калибровку, радиометрическую, атмосферную и геометрическую коррекцию. Например, данные многих спутников предоставляются в виде карт термодинамических температур поверхности воды/суши, коэффициентов излучения поверхности.

Практика использования космического тепловидения при решении экологических и природоохранных задачах достаточно широка. Данные многолетних измерений показали заметный рост температуры поверхности воды Балтийского моря и Ладожского озера, что приводит к серьёзным изменениям в водных экосистемах. По данным космической тепловой съёмки выявлены и количественно оценены тепловые сбросы атомных станций в Балтийское море (Горный и др., 1999). Космическое тепловидение широко используется для мониторинга вулканической активности (Ефремов и др., 2012), а в последнее время - и для прогноза землетрясений (Сорокин, Чмырёв, Тронин, 2014).

Кроме традиционных для тепловидения методик определения температуры (рис. 1) и коэффициентов излучения поверхности разработаны методики восстановления компонентов теплового баланса поверхности и тепловых характеристик поверхности. Так в Центре экологической безопасности РАН разработаны методы определения геотермального потока и скорости испарения с поверхности, восстановления тепловой инерции (Горный и др., 2008).

Применение космического тепловидения для решения задач экологической безопасности во многом определяется важнейшей ролью тепловых потоков в функционировании экосистем. Состояние экосистем, их реакция на антропогенную нагрузку находит отражение в энергетическом и тепловом балансе экосистем, их температуре.

Первые опыты по применению термодинамического подхода к анализу состояния экосистем по данным спутниковых наблюдений выполнены на примере нескольких промышленных предприятий горно-металлургического комплекса, объектах транспортной инфраструктуры, местах радиационных аварий (Горный, Крицук, Латыпов, 2011). Суть метода заключается в построении термодинамического индекса нарушенности экосистем, основанного на испаряемости растительности. При этом полученный индекс оказывается более чувствительным к антропогенному воздействию, чем вегетационный индекс. Построены карты индекса для городских и промышленных агломераций с высоким уровнем антропогенной нагрузки (рис. 2).

Рисунок 1. Ночная температура земной поверхности, июль 2013, (MODIS/Aqua)

Рисунок 2. Фрагмент карты термодинамического индекса нарушенности экосистем Ленинградской области по данным радиометра MODIS системы EOS (Горный и др., 2013)

Космические тепловизионные методы используются и в рамках энергетического подхода к решению проблем экологической безопасности, в частности, для изучения теплового загрязнений городских агломераций.

Роль космического тепловидения в изучении новых угроз экологической безопасности может быть весьма существенной. В первую очередь это касается проблемы регистрации изменений характеристик экосистем, связанных с изменением климата. Климатические изменения приводят к изменениям биоопасностей, смене экосистем, иногда резкой, через пожары, окислению водоёмов. Космическая тепловая съёмка уже находят своё применение в контроле биоопасностей (Тронин, 2005). Разрабатываются технологии спутникового мониторинга численности вредителей сельского хозяйства, например, саранчовых (Горный и др., 2008). Применяются дистанционные методы и для изучения ареалов переносчиков трансмиссивных заболеваний человека, таких, как иксодовые клещи (Тронин и др., 2008). Мониторинг лесных пожаров являются уже частью производственной системы (Ершов и др., 2004).

Космическое тепловидение прошло значительный путь развития. Наиболее сильной стороной этого метода дистанционного зондирования был изначально количественный подход к измеряемым величинам. Таким образом, в настоящее время мы имеем метод измерения температуры и коэффициента излучения, а также теплофизических свойств и компонентов теплового баланса поверхности Земли. Важнейшим моментом является наличие спутниковых банков данных температуры земной поверхности за десятки лет.

Литература

тепловой спутниковый космический зондирование

1. Cracknell A.P. The Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR). Taylor & Francis. London. 1997. 534 P.

2. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Тронин А.А., Шилин Б.В. Оценка теплопотерь атомных электростанций по материалам тепловой космической съемки // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 8. С. 6-12.

3. Горный В.И., Крицук, С.Г., Лапытов, И.Ш., Теплякова, Т.Е., Тронин, А.А. Измерительная технология спутникового мониторинга саранчовых // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т. 5. № 1.С. 469-476.

4. Горный В.И., Крицук, С.Г., Латыпов, И.Ш. Термодинамический подход для дистанционного картографирования уровня антропогенной нагрузки на экосистемы // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 179-194.

5. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Храмцов В.Н. Верификация крупномасштабных карт термодинамического индекса нарушенности экосистем. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 201-212.

6. Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Лупян Е.А. Мазуров А.А., Тащилин С.А. Российская система спутникового мониторинга лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Т.1. № 1. С. 47-57.

7. Ефремов В.Ю., Гирина О.А., Крамарева Л.С., Лупян Е.А., Маневич А.Г., Мельников Д.В., Матвеев А.М., Прошин А.А., Сорокин А.А., Флитман Е.В. Создание информационного сервиса «Дистанционный мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил» // Современ-ные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 5. С. 155-170

8. Селиванов A.C., Нараева М.К., Носов Б.И., Панфилов A.C., Синельникова И.Ф., Суворов Б.А., 1985. Многозональный сканер с конической разверткой для исследования природных ресурсов // Исследование Земли из космоса. 1985. №1. С. 66-72.

9. Сорокин В.М., Чмырёв В.М., Тронин А.А. Основы аэрокосмических методов мониторинга землетрясений. Palmarium Academic Publishing. Саарбрюккен. 2014. 164 С.

10. Тронин А.А. Космические методы при контроле биоопасности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Т. 2. № 2. С. 318-320.

Размещено на Allbest.ru