Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Доктор Клэр Паркинсон объясняет, как и почему НАСА изучает морской лед в Арктике.
Анимация минимальной годовой площади морского льда над Арктикой с 1979 по 2012 гг.
На этой анимации ежедневные изменения морского льда в Арктике и сезонные изменения земного покрова меняются с течением времени с 16 мая по 12 сентября 2013 года, когда морской лед достиг своей минимальной площади покрытия для 2013 года.

Измерение морского льда важно для безопасности судоходства и для мониторинга окружающей среды , особенно климата . Протяженность морского льда взаимодействует с крупными климатическими моделями, такими как североатлантическое колебание и атлантическое многодесятилетнее колебание , и это всего два, и влияет на климат в остальной части земного шара.

Количество морского льда в Арктике представляло интерес на протяжении веков, поскольку Северо-Западный проход представлял большой интерес для торговли и мореплавания. Существует давняя история регистрации и измерений некоторых эффектов протяженности морского льда, но исчерпывающие измерения были редкими до 1950-х годов и начались со спутниковой эры в конце 1970-х годов. Современные прямые записи включают данные о протяженности, площади льда, сплоченности, толщине и возрасте льда. Текущие тенденции в записях показывают значительное сокращение морского льда в Северном полушарии и небольшое, но статистически значимое увеличение зимнего морского льда в Южном полушарии .

Кроме того, текущие исследования включают и устанавливают обширные наборы многовековых исторических записей арктического и субарктического морского льда и используют, среди прочего, палео-прокси-записи морского льда с высоким разрешением. [1] Арктический морской лед является динамическим компонентом климатической системы и связан с многомесячной изменчивостью Атлантики и историческим климатом на протяжении различных десятилетий. Наблюдаются круговые изменения структуры морского льда, но пока нет четких закономерностей, основанных на прогнозах моделирования.

Методы измерения морского льда [ править ]

Ранние наблюдения [ править ]

Записи, собранные викингами и показывающие количество недель в году, в течение которых лед появлялся вдоль северного побережья Исландии, относятся к 870 году нашей эры, но более полная запись существует с 1600 года. Более обширные письменные записи о морском льде в Арктике относятся к середине 18-го века. век. Самые ранние из этих записей относятся к морским путям Северного полушария, но записи того периода немногочисленны. Записи температуры воздуха, относящиеся к 1880-м годам, могут служить заменой (прокси) для арктического морского льда, но такие записи температуры первоначально были собраны только в 11 местах. РоссииАрктический и антарктический научно-исследовательский институт составил карты ледового покрова, датируемые 1933 годом. Сегодня ученые, изучающие тенденции развития морского льда в Арктике, могут полагаться на довольно исчерпывающие данные, датируемые 1953 годом, с использованием комбинации спутниковых записей, отчетов о судоходстве и карт ледового покрова из нескольких стран. . [2]

В Антарктике данные, непосредственно предшествующие спутниковой регистрации, еще более редки. Чтобы попытаться расширить исторические данные о протяженности морского льда в Южном полушарии во времени, ученые исследовали различные косвенные значения протяженности морского льда. Один из них - это записи, которые ведут антарктические китобои, которые фиксируют местонахождение всех пойманных китов и напрямую связаны с наблюдениями за морским льдом. Судя по данным о китобойном промысле, прямых глобальных оценках антарктического морского ледяного покрова на основе спутниковых наблюдений, с 1970 года, кажется, что в середине двадцатого века произошло резкое сокращение площади морского льда в Антарктике. [3] Поскольку киты, как правило, собираются возле кромки морского льда, чтобы поесть, их местоположение может быть показателем протяженности льда. Другие прокси используют наличиеорганические соединения, полученные из фитопланктона, и следы других экстремофилов [4] в кернах и отложениях антарктического льда . Поскольку фитопланктон больше всего растет по краям ледяного покрова, концентрация этих серосодержащих органических соединений и их геохимия служат индикаторами того, насколько далеко край льда простирается от континента. Существуют и другие обширные наборы многовековых исторических записей арктического и субарктического морского льда, в которых используются, среди прочего, палео-прокси-записи морского льда с высоким разрешением. [1]

Спутники [ править ]

Спутник DMSP

Полезные спутниковые данные о морском льде были начаты в декабре 1972 года с помощью прибора с электронно-сканирующим микроволновым радиометром (ESMR). Однако это не было напрямую сопоставимо с более поздним SMMR / SSMI, и поэтому практические достижения начинаются в конце 1978 года с запуска спутника NASA Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) [5] и продолжаются со специальным датчиком Microwave / Imager. (SSMI). Усовершенствованный сканирующий микроволновый радиометр (AMSR) и Cryosat-2 предоставляют отдельные записи.

С 1979 года спутники обеспечивают постоянную непрерывную регистрацию морского льда. [6] Тем не менее, запись основана на сшивании результатов измерений с ряда различных спутниковых приборов, что может привести к ошибкам, связанным с интеркалибровкой изменений датчика. [7] Спутниковые изображения морского льда сделаны на основе наблюдений за микроволновым излучением, излучаемым поверхностью Земли. Поскольку вода океана излучает микроволны иначе, чем морской лед, лед «выглядит» иначе, чем вода, на спутниковый датчик - см. Моделирование коэффициента излучения морского льда.. Наблюдения преобразуются в элементы цифрового изображения или пиксели. Каждый пиксель представляет собой квадратную поверхность Земли. Первые инструменты обеспечивали разрешение примерно 25 км на 25 км; более поздние инструменты выше. Алгоритмы исследуют микроволновое излучение, его вертикальную и горизонтальную поляризацию, а также оценивают площадь льда. [2]

Морской лед можно рассматривать с точки зрения общего объема или площади покрытия. Объем сложнее, потому что он требует знания толщины льда, которую трудно измерить напрямую; такие усилия, как PIOMAS [8], используют комбинацию наблюдений и моделирования для оценки общего объема.

Есть два способа выразить общий полярный ледяной покров: площадь льда и протяженность льда. Чтобы оценить площадь льда, ученые вычисляют процент морского льда в каждом пикселе, умножают его на площадь пикселя и суммируют. Чтобы оценить протяженность льда, ученые устанавливают пороговое значение в процентах и ​​считают каждый пиксель, который соответствует этому пороговому значению или превышает его, как «покрытый льдом». Общий порог - 15 процентов. [2]

Подход, основанный на пороге, может показаться менее точным, но он имеет то преимущество, что он более последовательный. Когда ученые анализируют спутниковые данные, легче сказать, есть ли ледяной покров в пикселе хотя бы на 15 процентов, чем, например, сказать, составляет ли ледяной покров 70 процентов или 75 процентов. Уменьшая неопределенность в количестве льда, ученые могут быть более уверены в том, что изменения морского ледяного покрова с течением времени реальны. [2]

Тщательный анализ эхо-сигналов спутникового радиолокационного измерения может отличить отраженные от открытого океана, новые льды или многолетние льды. Разница между высотой эхо-сигналов от снега / морского льда и открытой воды дает высоту льда над океаном; толщину льда можно рассчитать исходя из этого. [9] Этот метод имеет ограниченное вертикальное разрешение - возможно, 0,5 м - и его легко сбить с толку при наличии даже небольшого количества открытой воды. Следовательно, он в основном использовался в Арктике, где лед более толстый и сплошной.

Подводные лодки [ править ]

Начиная с 1958 года подводные лодки ВМС США собирали гидролокаторы , направленные вверх , для навигации и обороны, и преобразовывали эту информацию в оценки толщины льда. [10] Данные с подводных лодок США и Королевского военно-морского флота, доступные из NSIDC, включают карты, показывающие следы подводных лодок. Данные представлены в виде профилей ледовой осадки и в виде статистических данных, полученных на основе данных профиля. Файлы статистики включают в себя информацию о характеристиках ледовой осадки, килях, ровном льду, выступах, недеформированном и деформированном льду. [11]

Буи [ править ]

Буи размещаются на льду для измерения свойств льда и погодных условий участниками Международной программы арктических буев и ее сестры, Международной программы антарктических буев . Буи могут иметь датчики для измерения температуры воздуха , атмосферного давления , положения буя, роста / таяния льда, температуры льда, океанских течений , движения морского льда, давления на уровне моря, температуры поверхности моря, температуры кожи, температуры приземного воздуха, ветра у поверхности и температуры воды. . [12] [13] [14]

Гидролокатор восходящего обзора [ править ]

Основная статья: Восходящий гидролокатор

Устройства гидролокатора верхнего обзора (ULS) могут быть развернуты под полярным льдом в течение месяцев или даже лет и могут обеспечить полный профиль толщины льда для одного участка.

Вспомогательные наблюдения [ править ]

Вспомогательные наблюдения за морским льдом производятся с береговых станций, кораблей и с самолетов .

Хотя в последние годы данные дистанционного зондирования стали играть важную роль в анализе морского льда, пока невозможно составить полную и точную картину состояния морского льда только на основе одного этого источника данных. Вспомогательные наблюдения за морским льдом играют важную роль в подтверждении ледовой информации, полученной с помощью дистанционного зондирования, или в обеспечении важных поправок к общей картине ледовых условий. [15]

Наиболее важным вспомогательным наблюдением за морским льдом является расположение кромки льда. Его значение отражает как важность местоположения кромки льда в целом, так и сложность точного определения местоположения кромки льда с помощью данных дистанционного зондирования. Также полезно дать описание кромки льда с точки зрения указаний на замерзание или таяние, продвижение или отступление под действием ветра, а также компактность или размытость. Другая важная вспомогательная информация включает расположение айсбергов , плавучих льдов, ледяных островов, старого льда, гребней и торошений. Эти особенности льда плохо отслеживаются методами дистанционного зондирования, но они являются очень важными аспектами ледяного покрова. [15]

Типы измерений [ править ]

Протяженность морского льда [ править ]

Морской лед в Северном Ледовитом океане меняется в зависимости от сезона.

Протяженность морского льда - это площадь моря с определенным количеством льда, обычно 15%. Для спутниковых микроволновых датчиков поверхностное таяние кажется открытой водой, а не водой на поверхности морского льда. Таким образом, хотя микроволновые датчики надежны для измерения площади большую часть года, они склонны недооценивать фактическую концентрацию льда и площадь, когда поверхность тает. [16]

Область морского льда [ править ]

Чтобы оценить площадь льда, ученые вычисляют процент морского льда в каждом пикселе, умножают его на площадь пикселя и суммируют. Чтобы оценить протяженность льда, ученые устанавливают пороговое значение в процентах и ​​считают каждый пиксель, который соответствует или превышает этот порог, как «покрытый льдом». Национальные снега и лед центр обработки данных , один из рассредоточенных активных архивов центров НАСА, мониторы морского льда с использованием порога 15 процентов. [2]

Концентрация морского льда [ править ]

Основная статья: Концентрация морского льда

Сплоченность морского льда - это процент площади, покрытой морским льдом. [2]

Толщина морского льда [ править ]

Основная статья: Толщина морского льда

Толщина морского льда увеличивается со временем и увеличивается, когда ветер и течения сталкивают лед вместе. Спутник Европейского космического агентства Cryosat-2 был запущен в апреле 2010 года с целью составить карту толщины и формы полярного ледяного покрова Земли. Его единственный прибор - SAR / интерферометрический радарный высотомер может измерять надводный борт морского льда .

Морской ледниковый период [ править ]

Возраст льда - еще один ключевой показатель состояния морского ледяного покрова, поскольку более старый лед имеет тенденцию быть толще и эластичнее, чем более молодой. Морской лед со временем отторгает соль и становится менее соленым, что приводит к более высокой температуре плавления . [5] Простой двухэтапный подход классифицирует морской лед на однолетний и многолетний. Первогодний - это лед, который еще не пережил сезон летнего таяния, в то время как многолетний лед пережил по крайней мере одно лето и может быть возрастом несколько лет. [17] См. Процессы роста морского льда .

Баланс массы морского льда [ править ]

Измерение баланса массы морского льда

Баланс массы морского льда - это баланс того, насколько лед растет зимой и тает летом. Для арктического морского льда практически весь рост происходит на дне льда. Таяние происходит как на верхней, так и на нижней части льда. В подавляющем большинстве случаев весь снег тает летом, как правило, всего за пару недель. Баланс массы - это мощная концепция, поскольку он является отличным интегратором теплового баланса. Если произойдет чистое увеличение тепла, лед станет тонким. Чистое охлаждение приведет к более толстому льду. [18]

Выполнить прямые измерения баланса массы просто. Набор стоек и толщиномеров используется для измерения абляции и накопления льда и снега в верхней и нижней части ледяного покрова. Несмотря на важность измерений баланса массы и относительно простое оборудование, используемое для их проведения, результатов наблюдений мало. Это в значительной степени связано с расходами, связанными с эксплуатацией долгосрочного полевого лагеря, служащего базой для этих исследований. [18]

Объем морского льда [ править ]

Синий: сезонные колебания и долгосрочное уменьшение объема морского льда в Арктике, как определено с помощью численного моделирования, основанного на измерениях. [19] [20]

Нет никаких измерений объема морского льда в масштабах всей Арктики или Антарктики, но объем морского льда в Арктике рассчитывается с использованием Панарктической системы моделирования и ассимиляции ледяного океана (PIOMAS), разработанной в Вашингтонском университете прикладной физики. Лаборатория / Полярный научный центр. PIOMAS объединяет наблюдаемые со спутников концентрации морского льда в модельные расчеты для оценки толщины и объема морского льда. Сравнение с подводными, швартовными и спутниковыми наблюдениями помогает повысить достоверность результатов модели. [21]

ICESat был спутником, оснащенным лазерным высотомером, который мог измерять надводный борт ледяных потоков. [22] [23] Его активный период обслуживания был с февраля 2003 года по октябрь 2009 года. Вместе с набором вспомогательных данных, таких как плотность льда, толщина снежного покрова, давление воздуха, соленость воды, можно рассчитать толщину потока и, следовательно, его объем. Его данные были сопоставлены с соответствующими данными PIOMAS, и было найдено разумное согласие. [24]

Cryosat-2 , запущенный в апреле 2010 года, имеет возможность измерять надводный борт ледяных потоков, как и ICESat , только он использует радар вместо лазерных импульсов. Данные рассчитываются с помощью модели PIOMAS.

Тенденции в данных [ править ]

Надежные и последовательные записи для всех сезонов доступны только в эпоху спутников, начиная с 1979 года.

Северное полушарие [ править ]

См. Также: Сокращение морского льда в Арктике
1870-2000 гг. Протяженность морского льда в Северном полушарии в миллионах квадратных километров. Синяя заливка указывает на досутниковую эру; тогда данные менее надежны. В частности, почти постоянная протяженность уровня осенью до 1940 г. отражает скорее недостаток данных, чем реальное отсутствие вариаций.

Согласно научным измерениям, как толщина, так и протяженность летнего морского льда в Арктике резко сократились за последние тридцать лет. [16]

Южное полушарие [ править ]

Записи до эры спутников немногочисленны. Уильям К. де ла Маре, 1997, в книге «Резкое уменьшение площади морского льда в Антарктике в середине двадцатого века из-за данных о китобойном промысле» [3] обнаружил смещение кромки льда в южном направлении на основе данных о китобойном промысле; эти результаты были подвергнуты сомнению, но более поздние работы де ла Мара и Котта подтверждают тот же вывод. [25] [26]

Полученные со спутников тренды антарктического морского льда показывают явное увеличение в центральном тихоокеанском секторе на ~ 4–10% за десятилетие и уменьшение в секторе Беллинсгаузен / западный сектор Уэдделла с аналогичными процентами, но меньшей протяженностью. Существует тесная связь с Антарктическим колебанием дальнейшего и воздействия положительных полярностей Южного колебания Эль-Ниньо (ENSO) на последнее. Величина ледовых изменений, связанных с AAO и ENSO, меньше, чем региональные ледовые тренды, и местные (или менее понятые крупномасштабные) процессы все еще требуют исследования для полного объяснения. [27]

Использование 1981–2010 годов в качестве базового показателя [ править ]

Ученые используют средний показатель за 1981–2010 годы, поскольку он обеспечивает стабильную базу для ежегодных сравнений протяженности морского льда. Тридцать лет считаются стандартным базовым периодом для погоды и климата, и спутниковые записи теперь достаточно продолжительны, чтобы обеспечить тридцатилетний базовый период. [28]

См. Также [ править ]

  • Полярное усиление
  • Полярный вихрь

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Сигнал устойчивой многодесятичной изменчивости в данных зимних морских льдов: связь с многодесятилетними колебаниями в Атлантике, Майлз, Мартин и др., 42-й ежегодный международный арктический семинар состоится 7-9 марта 2012 г. в Винтер-парке, Колорадо
  2. ^ a b c d e f "Земная обсерватория НАСА - мониторинг морского льда" . НАСА.
  3. ↑ a b de la Mare WK (сентябрь 1997 г.). «Резкое сокращение площади антарктического морского льда в середине двадцатого века из-за китобойного промысла». Природа . 389 (6646): 57–60. Bibcode : 1997Natur.389 ... 57D . DOI : 10.1038 / 37956 .
  4. ^ Наука 25 января 2002: Vol. 295 нет. 5555 с. 641-644 DOI: 10.1126 / science.1063391 Морской лед Антарктики - среда обитания экстремофилов Д. Н. Томас, Г. С. Дикманн
  5. ^ a b NSIDC - Часто задаваемые вопросы о морском льде в Арктике
  6. ^ "Морской лед - Выводы" . НАСА.
  7. ^ Эйзенман, И .; Мейер, WN; Норрис, младший (2014). «Ложный скачок спутниковой записи: не было ли переоценено расширение антарктического морского льда?» . Криосфера . 8 (4): 1289–1296. DOI : 10,5194 / дц-8-1289-2014 .
  8. ^ http://psc.apl.washington.edu/wordpress/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/
  9. ^ "Учебное пособие по радиолокационной альтиметрии" . J. Benveniste и N. Picot Ed. Архивировано из оригинала на 2010-02-02 . Проверено 1 ноября 2009 .
  10. ^ "Спутники и подводные лодки дают тонкую толщину морского льда" . НАСА.
  11. ^ "Данные и статистика профиля подводной лодки восходящего обзора ледовой тяги" . NSIDC.
  12. ^ "NSIDC - Данные о дрейфующих антарктических буях IPAB" . NSIDC.
  13. ^ "IPAB - Международная программа антарктических буев" . IPAB.
  14. ^ "IAPB - Международная программа арктических буев" . IAPB.
  15. ^ a b «Справочник по анализу и прогнозированию морского льда» (PDF) . ВМС США.
  16. ^ a b Meier, Walter N .; Стров, Жюльен; Феттерер, Флоренция (2007). «Куда идут арктические морские льды? Явный сигнал о региональном и сезонном спаде, выходящем за рамки спутниковых наблюдений» (PDF) . Анналы гляциологии . 46 (1): 428–434. Bibcode : 2007AnGla..46..428M . DOI : 10.3189 / 172756407782871170 . ISSN 0260-3055 .  
  17. ^ "Панарктический обзор морского льда 2009: Сводный отчет" . ПОИСК.
  18. ^ a b "Баланс массы, что это?" . Лаборатория исследования и проектирования холодных регионов. Архивировано из оригинала на 2009-06-18 . Проверено 26 апреля 2010 .
  19. ^ Zhang, Jinlun и DA Rothrock: Моделирование глобального морского льда с помощью модели распределения толщины и энтальпии в обобщенных криволинейных координатах, Mon. Wea. Ред. 131 (5), 681-697, 2003. « Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2010-07-11 . Проверено 11 августа 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  20. ^ Сеймур В. Лаксон и др., CryoSat-2 оценки толщины и объема арктического морского льда, Geophys. Res. Lett. , DOI: 10.1002 / grl.50193, 28 февраля 2013 г.
  21. ^ "Национальный центр данных по снегу и льду - Новости и анализ морского льда в Арктике" . NSIDC.
  22. ^ BESchutz et al., "Обзор миссии IceSat", GEOPHYSICAL RESEARES LETTERS, VOL. 32, L21S01, DOI: 10.1029 / 2005GL024009, 2005
  23. ^ "Изображения: новый спутниковый обзор НАСА показывает резкое истончение арктического морского льда" . НАСА.
  24. ^ «Проверка объема льда и неопределенность PIOMAS» . Центр полярных исследований Вашингтонского университета. Архивировано из оригинала на 2013-01-29 . Проверено 8 марта 2013 .
  25. ↑ de la Mare WK (февраль 2009 г.). «Изменения в протяженности морского льда в Антарктике в результате прямых исторических наблюдений и данных о китобойном промысле». Изменение климата . 92 (3–4): 461–93. DOI : 10.1007 / s10584-008-9473-2 .
  26. ^ Котте, Седрик; Гине, Кристоф (январь 2007 г.). «Исторические данные о китобойном промысле свидетельствуют об отступлении антарктического морского льда в регионе». Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers . 54 (2): 243–252. DOI : 10.1016 / j.dsr.2006.11.001 .
  27. ^ Лю, J .; Карри, JA; Мартинсон, Д.Г. (2004). «Интерпретация недавней изменчивости антарктического морского льда» . Geophys. Res. Lett . 31 (2): L02205. Bibcode : 2004GeoRL..31.2205L . DOI : 10.1029 / 2003GL018732 .
  28. ^ http://nsidc.org/arcticseaicenews/faq/#1979average

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный центр данных по снегу и льду Arctic Sea Ice News & Analysis