Методы дистанционного зондирования для мониторинга таяния ледников и повышения уровня моря

Введение: Критическая роль дистанционного зондирования в криосферных исследованиях

Ледники и ледяные щиты Земли являются одними из наиболее чувствительных индикаторов изменения климата. Они реагируют непосредственно на изменения температуры и осадков, и их таяние вносит значительный вклад в глобальное повышение уровня моря. Однако многие из этих замороженных ландшафтов расположены в отдаленных, высокогорных или полярных регионах, к которым трудно и дорого получить доступ наземными экспедициями. Именно здесь дистанционное зондирование - наука сбора информации о поверхности Земли с расстояния - стало незаменимым. За последние четыре десятилетия технологии спутникового и воздушного дистанционного зондирования изменили нашу способность контролировать динамику ледников, баланс массы ледяного покрова и изменения уровня моря с замечательной точностью, пространственным охватом и временной частотой. Эта статья обеспечивает углубленное изучение основных методов дистанционного зондирования, используемых сегодня, конкретных спутниковых миссий, которые позволяют им, и критические идеи, которые они предоставляют для науки о климате и политики.

Основы дистанционного зондирования для наблюдения Земли

Дистанционное зондирование основано на обнаружении и измерении электромагнитного излучения, отраженного или испускаемого с поверхности Земли. Датчики могут быть широко классифицированы на две категории: пассивные датчики , которые обнаруживают естественное излучение (обычно солнечный свет, отраженный от поверхности или тепловую инфракрасную энергию, излучаемую Землей), и активные датчики , которые излучают свою собственную энергию и измеряют обратный сигнал. Выбор типа датчика и длины волны имеет решающее значение для изучения ледников и уровня моря, потому что различные материалы (лед, снег, вода, скала) имеют различные спектральные сигнатуры. Например, чистый лед отражает большинство видимого света, но поглощает более длинные волны, в то время как таяние снега показывает более темную, влажную поверхность, которая поглощает больше солнечной энергии, ускоряя дальнейшее таяние. Дистанционные сенсорные платформы работают с различных высот: полярно-орбитальные спутники обеспечивают глобальное покрытие с относительно грубым разрешением (10-300

Методы мониторинга таяния и скорости ледника

Оптические и мультиспектральные спутниковые снимки

Многоспектральные датчики, такие как на Landsat 8/9 (30-метровое пространственное разрешение) и Sentinel-2, захватывают изображения через несколько полос видимого и инфракрасного света. Эти изображения используются для очерчивания границ ледника, отображения снежного покрова и отслеживания сезонных изменений альбедо (отражательности). Сравнивая изображения разных лет, ученые могут рассчитать скорость потери площади ледника с течением времени. Например, исследование ледников в европейских Альпах с использованием данных Landsat показало, что регион потерял примерно 50% своего объема ледника между 1850 и 2000 годами, с ускорением с 1980-х годов. Ключевым преимуществом оптических изображений является его способность покрывать большие площади (тысячи квадратных километров на сцену) неоднократно, что позволяет проводить последовательный долгосрочный мониторинг. Один из самых надежных архивов исходит от миссий Landsat , которые предоставили непрерывные данные с 1972 года.

Спутники серии Jason (Jason-1, OSTM/Jason-2, Jason-3 и предстоящий Sentinel-6 Michael Freilich) обеспечивают непрерывные радиолокационные высотные измерения глобальной высоты поверхности моря с точностью, приближающейся к 2-3 сантиметрам. Путем усредненных измерений по всему океану ученые наблюдали, что глобальный средний уровень моря поднимался примерно на 3,3 миллиметра в год за последние три десятилетия, с ускоряющейся тенденцией. Данные Altimetry также показывают региональную изменчивость - некоторые районы, такие как западная часть Тихого океана, растут быстрее, чем в среднем по миру, в то время как другие испытывают относительное падение уровня моря из-за ледниковой изостатической регулировки. NASA Sea Level Change Portal предлагает интерактивную приборную панель, которая синтезирует эти результаты альтиметрии вместе с данными датчиков приливов.

Гравиметрия для распутывания ледяного таяния против теплового расширения

Миссии GRACE и GRACE-FO обеспечивают уникальную возможность отделить массовый компонент повышения уровня моря от компонента теплового расширения. Измеряя потерю массы от ледяных щитов и ледников, ученые могут рассчитать вклад повышения уровня моря, непосредственно связанный с талой водой. Например, данные GRACE показали, что в период с 2002 по 2014 год талая вода от ледников и ледяных щитов способствовала повышению уровня моря примерно на 1,8 миллиметра в год, что составляет примерно 55% от общего наблюдаемого роста. Остальные 45% были обусловлены тепловым расширением, как получено из измерений температуры океана на месте и альтиметрии вместе взятых.

Оптический и тепловой инфракрасный диапазон для изменения побережья

Помимо измерений в открытом океане, дистанционное зондирование отслеживает прибрежные воздействия повышения уровня моря: эрозию береговой линии, затопление низменных районов и изменения прибрежных рельефов. Оптические изображения высокого разрешения (с помощью спутников, таких как WorldView, или самолетов) могут неоднократно отображать позиции береговой линии, выявляя скорость эрозии в несколько метров в год в уязвимых дельтах и барьерных островах. Тепловые инфракрасные датчики обнаруживают температуру поверхности моря, которая используется для мониторинга теплосодержание океана и поглощение тепла, драйвер теплового расширения.

Обработка данных и передовые аналитические методы

Необработанные данные этих спутниковых датчиков — будь то оптическое изображение, лазерный альтиметр или интерферограмма от SAR — требуют сложной обработки. Во-первых, геометрические и радиометрические поправки компенсируют геометрию датчика, атмосферные помехи и искажения рельефа. Затем алгоритмы обнаружения изменений идентифицируют различия между многовременными изображениями или моделями рельефа. Для мониторинга ледников общие методы включают в себя кросс-корреляцию для карт скорости, дифференцировку цифровой модели рельефа (DEM) для изменения толщины и спектральный анализ смеси (FLT: 3) для снежного/ледяного дробного покрытия. Машинное обучение становится все более важным: сверточные нейронные сети могут автоматически определять границы ледников от изображений Landsat и Sentinel-2, а случайные лесные классификаторы могут идентифицировать образование таяния прудов на шельфовых ледниках. Облачные вычислительные платформы, такие как Google Earth Engine, позволяют исследователям обрабатывать данные континентального масштаба без загрузки терабайтов данных. Эти инструменты ускоряют преобразование необработанных спутниковых измерений в действенную

Тематические исследования: что показали дистанционные датчики

Ледяной щит Гренландии

Сочетая данные лазерной альтиметрии ICESat-2, гравиметрии GRACE и скорости Sentinel-1 SAR, ученые построили полную картину потери льда Гренландии. В период с 1992 по 2020 год ледяной щит потерял примерно 4900 гигатонн льда, подняв уровень моря примерно на 13,5 миллиметра. Основными драйверами являются повышенное таяние на более низких высотах и ускорение ледников приливной воды, таких как Якобсхавн Исбрае, что удвоило его скорость в начале 2000-х годов. Дистанционное зондирование также выявило образование надледниковых озер, которые сливаются через трещины, смазывая кровать и еще больше ускоряя поток.

Антарктический ледяной щит

Антарктида более сложна: Восточно-Антарктический ледяной щит в значительной степени стабилен, в то время как Западная Антарктида, особенно Залив Амундсена, быстро истончается. Спутниковая радиолокационная альтиметрия от CryoSat-2 и IceSat-2 показывает, что ледник Пайн-Айленда и ледник Туэйтса истончаются на несколько метров в год. Данные InSAR показывают, что линия заземления - точка, где лед начинает плавать - отступила на километры внутрь страны с 1990-х годов, подвергая более толстый лед теплым океанским течениям.

Гималаи и высокая горная Азия

Ледники в Гималаях и Каракоруме обеспечивают водой почти миллиард человек. Исследования дистанционного зондирования с использованием Landsat и рассекреченных спутниковых снимков-шпионов 1970-х годов показали, что гималайские ледники сократились примерно на 15% за последние 50 лет. Однако ответ неоднороден: регион Каракорум испытал небольшой прирост массы или стабильность («аномалия Каракорума»), приписанный уникальным метеорологическим условиям. Данные GRACE показывают чистую потерю массы для Высокогорной Азии в целом, с вкладом в повышение уровня моря около 0,03 миллиметра в год.

Проблемы и ограничения современных систем дистанционного зондирования

Несмотря на впечатляющий прогресс, дистанционное зондирование ледников и уровня моря сталкивается с несколькими препятствиями. Временное разрешение является общим ограничением: некоторые спутниковые проходы происходят только каждые 10-16 дней, что может пропустить быстрые события, такие как откалывание айсберга или наводнения. Облачный покров блокирует оптические датчики, особенно в тропических горных регионах и в штормовые периоды. Атмосферное искажение влияет как на радарные, так и на оптические сигналы, требуя тщательных поправок, которые вводят неопределенность. Для лазерных высотомеров облачный покров может полностью блокировать лазер, что приводит к пробелам в данных. Калибровка и валидация требуют измерений наземной правды, таких как GPS-исследования на ледниках или сети приливных датчиков для уровня моря,

Будущие направления и новые технологии

Несколько новых спутниковых миссий и технологических достижений обещают расширить возможности мониторинга. Предстоящая миссия NASA-ISRO SAR (NISAR) будет обеспечивать глобальное радиолокационное покрытие каждые 12 дней с частотами L-диапазона и S-диапазона, позволяя более надежные измерения скорости ледника и деформации в растительном и горном регионах. Миссия InSAR по измерению скорости ледника и деформации океана (SWOT) , запущенная в декабре 2022 года, использует радиолокационную интерферометрию Ka-диапазона для измерения высоты поверхности воды и топографии океана с беспрецедентным пространственным разрешением <100 meters), which will improve sea level rise estimates in coastal zones and narrow currents. In terms of data analysis, integration of глубокое обучение с большими спутниковыми данными позволит в режиме реального времени обнаруживать всплески ледников, откалывание айсбергов и талые воды. Созвездия SmallSat (например, Планета, ICEYE) обеспечивают

Вывод: дистанционное зондирование как основа криосферной науки

Методы дистанционного зондирования коренным образом изменили то, как мы наблюдаем и понимаем таяние ледников и повышение уровня моря. С первых дней Landsat, предоставляя первые синоптические представления о ледяной протяженности в сегодняшнем наборе лазерных, радиолокационных, гравиметрических и оптических датчиков, способность измерять изменения массы льда, высоты и высоты океана с высокой точностью, изменила климатологию. Эти данные лежат в основе докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), направляют национальные стратегии адаптации и информируют международные политические переговоры. В то время как проблемы остаются - особенно в обеспечении непрерывности данных и преодолении экологических ограничений - стремительный темп технологических инноваций дает уверенность в том, что будущие системы дистанционного зондирования будут производить еще более мелкие, более частые и более надежные измерения. Для ученых, политиков и общественности это означает более четкую картину изменения планеты и более прочную основу для действий.