WikiDer > Измерение морского льда - Википедия

Measurement of sea ice - Wikipedia
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 во времени с 16 мая 2013 года по 12 сентября 2013 года, когда морской лед достиг своей минимальной площади покрытия для 2013 года.

Измерение морского льда важно для безопасности навигация и для мониторинга среда, особенно климат. Протяженность морского льда взаимодействует с крупными климатическими условиями, такими как Североатлантическое колебание и Атлантическое многодесятилетнее колебание, чтобы назвать только два, и влияет на климат в остальной части земного шара.

Количество морской лед освещение 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 всесторонние измерения были редкими до 1950-х годов и начались с спутник эпоха в конце 1970-х гг. Современные прямые записи включают данные о протяженности, площади льда, сплоченности, толщине и возрасте льда. Текущие тенденции в записях показывают значительное снижение Северное полушарие морского льда и небольшого, но статистически значимого увеличения зима Южное полушарие морской лед.

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] Морской лед Арктики является динамическим компонентом климатической системы и связан с многомесячной изменчивостью Атлантики и историческим климатом на протяжении различных десятилетий. Имеются круговые изменения структуры морского льда, но пока нет четких закономерностей, основанных на прогнозах моделирования.

Методы измерения морского льда

Ранние наблюдения

Записи собраны Викинги показывающий количество недель в году, в течение которых лед появлялся вдоль северного побережья Исландия датируются 870 годом нашей эры, но более полная запись существует с 1600 года. Более обширные письменные записи о морском льде в Арктике относятся к середине 18 века. 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 изначально собирались только в 11 местах. России Арктический 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 ледовых карт из нескольких стран. .[2]

В Антарктике данные, непосредственно предшествующие спутниковой регистрации, еще более редки. Чтобы попытаться продлить исторические данные о протяженности морского льда в Южном полушарии еще дальше во времени, ученые исследовали различные косвенные значения протяженности морского льда. Один - записи, хранящиеся в Антарктике. китобои которые документируют 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, в середине двадцатого века наблюдается резкое сокращение площади морского льда в Антарктике с 1970 года.[3] Поскольку киты, как правило, собираются у кромки морского льда для кормления, их местонахождение может быть показателем протяженности льда. Другие прокси используют наличие полученный из фитопланктона органические соединения и другие следы экстремофилов[4] в Антарктике ледяные керны и отложения. Поскольку фитопланктон больше всего растет по краям ледяного покрова, концентрация этого серосодержащий органические соединения и их геохимия дают индикаторы того, насколько далеко кромка льда простиралась 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

Спутник DMSP

Полезные спутниковые данные о морском льду начались в декабре 1972 г. Электронно-сканирующий микроволновый радиометр (ESMR) инструмент. Однако это нельзя было напрямую сравнивать с более поздними SMMR / SSMI, и поэтому практические достижения начинаются в конце 1978 года с запуска НАСА. Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр (СММР) спутник.,[5] и продолжает Микроволновая печь со специальным датчиком / тепловизор (SSMI). Усовершенствованный сканирующий микроволновый радиометр (AMSR) и Криосат-2 предоставлять 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 по изменениям датчика.[7]Спутниковые снимки морского льда сделаны на основе наблюдений за микроволновая печь энергия, излучаемая с поверхности Земли. Поскольку морская вода излучает микроволны иначе, чем морской лед, лед «выглядит» иначе, чем вода для спутникового датчика - см. моделирование излучательной способности 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, их вертикальную и горизонтальную поляризацию, а также оценивают площадь льда.[2]

Морской лед можно рассматривать с точки зрения общего объема или площади площади. Объем труднее, потому что он требует знания толщины льда, которую трудно измерить напрямую; усилия, такие как PIOMAS[8] используйте 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 процентное содержание 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». Обычный 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 спутникового радиолокационная альтиметрия эхо-сигналы могут отличить те, что отражены от открытого океана, нового льда или многолетнего льда. 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

С 1958 г. Подводные лодки ВМС США собраны восходящие сонар профили для навигации и обороны, и преобразовали информацию в оценки толщины льда.[10] Данные из США и Подводные лодки Королевского флота доступны из NSIDC включает карты, показывающие маршруты подводных лодок. Данные представлены в виде профилей ледовой осадки и 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

На лед устанавливаются буи для измерения ледовых свойств и погодных условий участниками соревнований. Международная программа арктических буев и его сестра, Международная программа антарктических буев. Буи могут иметь датчики для измерения температура воздуха, атмосферное давление, положение буя, рост / таяние льда, температура льда, Океанские течения, движение морского льда, давление на уровне моря, температура поверхности моря, температура кожи, температура приземного воздуха, приземные ветры и температура воды.[12][13][14]

Гидролокатор, направленный вверх

Основная статья: Гидролокатор, направленный вверх

Устройства гидролокатора восходящего 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

Вспомогательные наблюдения за морским льдом производятся с береговых станций, корабли, и из самолет.

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 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 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 айсберги, льдоберги, ледяные острова, старый лед, гребни и торошения. Эти особенности льда плохо отслеживаются методами дистанционного зондирования, но являются очень важными аспектами ледяного покрова.[15]

Типы измерений

Протяженность морского льда

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 при таянии поверхности.[16]

Площадь морского льда

Чтобы оценить площадь льда, ученые вычисляют процентное содержание 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». В Национальный центр данных по снегу и льду, один из центров распределенного активного архива НАСА, отслеживает протяженность морского льда с использованием порогового значения в 15 процентов.[2]

Сплоченность морского льда

Основная статья: Сплоченность морского льда

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

Толщина морского льда

Основная статья: Толщина морского льда

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

Морской ледниковый период

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

Баланс массы морского льда

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. Для измерения абляции и накопления льда и снега в верхней и нижней части ледяного покрова используется набор стоек и толщиномеров. 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

Синий: сезонные колебания и долгосрочное уменьшение объема арктического морского льда, 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 арктического морского льда рассчитывается с использованием Панарктическая система моделирования и ассимиляции ледяного океана (PIOMAS), разработанный в Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета / Центре полярных исследований. 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 Спутник, оборудованный лазерным высотомером, мог измерять надводный борт ледяных потоков.[22][23] Период его активной эксплуатации 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]

Криосат-2, спущенный на воду в апреле 2010 года, имеет возможность измерять надводный борт ледяных потоков, как и ICESat, только то, что он использует радар вместо лазерных импульсов. Данные рассчитываются с помощью модели PIOMAS.

Тенденции в данных

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

Северное полушарие

Смотрите также: Сокращение морского льда в Арктике
1870-2000 Северное полушарие протяженность морского льда в миллионах квадратных километров. Синяя заливка указывает на дососпутниковую 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

Записи до эры спутников немногочисленны. Уильям К. де ла Маре, 1997 г., в Резкое сокращение площади антарктического морского льда в середине двадцатого века из-за китобойного промысла[3] обнаружил смещение кромки льда к югу на основании 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 Эль-Ниньо-Южного колебания (ENSO) на последнее. Масштабы ледовых изменений, связанных с AAO и ENSO, меньше, чем региональные ледовые тренды, и местные (или менее понятные крупномасштабные) процессы все еще требуют исследования для полного объяснения.[27]

Использование 1981-2010 годов в качестве базового уровня

Ученые используют среднее значение с 1981 по 2010 год, потому что оно обеспечивает последовательный базовый уровень для ежегодных сравнений площади морского льда. Тридцать лет считаются стандартным базовым периодом для погоды и климата, и спутниковые записи теперь достаточно продолжительны, чтобы обеспечить тридцатилетний базовый период.[28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Сигнал устойчивой многодесятичной изменчивости данных зимнего морского льда: связь с многодесятилетними колебаниями Атлантики, Майлз, Мартин и др., 42-й ежегодный международный арктический семинар состоится 7-9 марта 2012 года в Винтер-парке, Колорадо
  2. ^ а б c d е ж «Земная обсерватория НАСА - мониторинг морского льда». НАСА.
  3. ^ а б 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:1997Натура 389 ... 57Д. Дои:10.1038/37956.
  4. ^ Science 25 января 2002 г .: 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. ^ а б NSIDC - Часто задаваемые вопросы об арктических морских льдах
  6. ^ «Морской лед - Выводы». НАСА.
  7. ^ Эйзенман, И.; Meier, W.N .; Норрис, Дж. Р. (2014). «Ложный скачок спутниковой записи: не было ли переоценено расширение антарктического морского льда?». Криосфера. 8 (4): 1289–1296. Дои:10.5194 / tc-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 оригинал на 02.02.2010. Получено 2009-11-01.
  10. ^ «Спутники и подводные лодки придают тонкости толщине морского льда». НАСА.
  11. ^ "Данные профиля и статистика подводной восходящей гидролокатора ледовой осадки". NSIDC.
  12. ^ «NSIDC - Данные по дрейфующим антарктическим буям IPAB». NSIDC.
  13. ^ «ИПАБ - Международная программа антарктических буев». IPAB.
  14. ^ «IAPB - Международная программа арктических буев». IAPB.
  15. ^ а б «Справочник по анализу и прогнозированию морского льда» (PDF). ВМС США.
  16. ^ а б Meier, Walter N .; Стров, Жюльен; Феттерер, Флоренция (2007). «Куда идут арктические морские льды? Явный сигнал о региональном, сезонном спаде, выходящем за рамки спутниковых наблюдений» (PDF). Анналы гляциологии. 46 (1): 428–434. Bibcode:2007АнГла..46..428М. Дои:10.3189/172756407782871170. ISSN 0260-3055.
  17. ^ «Панарктический прогноз состояния морского льда 2009: Сводный отчет». ПОИСК.
  18. ^ а б "Массовый баланс, что это?". Лаборатория исследования и проектирования холодных регионов. Архивировано из оригинал на 2009-06-18. Получено 2010-04-26.
  19. ^ Чжан, Цзиньлунь и Д.А. Ротрок: 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 оригинал на 2010-07-11. Получено 2010-08-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  20. ^ Сеймур У. 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. ^ B.E.Schutz et al., "Обзор миссии IceSat", GEOPHYSICAL RESEARES LETTERS, VOL. 32, L21S01, DOI: 10.1029 / 2005GL024009, 2005
  23. ^ «Изображения: новая спутниковая съемка НАСА показывает резкое истончение арктического морского льда». НАСА.
  24. ^ «Проверка объема льда и неопределенность PIOMAS». Центр полярных исследований Вашингтонского университета. Архивировано из оригинал в 2013-01-29. Получено 2013-03-08.
  25. ^ de la Mare WK (февраль 2009 г.). «Изменения площади морского льда в Антарктике по результатам прямых исторических наблюдений и данных о китобойном промысле». Изменение климата. 92 (3–4): 461–93. Дои: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. Дои:10.1016 / j.dsr.2006.11.001.
  27. ^ Liu, J .; Curry, J. A .; Мартинсон, Д. Г. (2004). «Интерпретация недавней изменчивости морского льда Антарктики». Geophys. Res. Латыш. 31 (2): L02205. Bibcode:2004GeoRL..31.2205L. Дои:10.1029 / 2003GL018732.
  28. ^ http://nsidc.org/arcticseaicenews/faq/#1979average

внешняя ссылка