Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексный авиамониторинг морских акваторий для промышленного рыболовства и экологии: цели и задачи, основные направления исследований 17
1.1. Океанологические явления и процессы в приповерхностном слое океана 26
1.2. Авиамониторинг морских биологических объектов 46
1.3. Экологические проблемы и загрязнение морских акваторий . 51
1.4. Авиамониторинг прибрежных акваторий 62
Глава 2. Технические средства авиаконтроля акваторий и биоресурсов: основные разработки и модификации 72
2.1. Комплексы многоспектрального зондирования морской поверхности 72
2.1.1. Фото-, видео- и спектрометрическая аппаратура 73
2.1.2. Тепловая инфракрасная радиометрия 74
2.1.3. Многочастотная поляризационная радиолокация 76
2.1.4. Комплексы лидарного зондирования 78
2.2. Самолет-разведчик рыбы: опыт создания последовательной серии летающих лабораторий ПИНРО 83
2.2.1. Самолет-лаборатория дальний океанический разведчик рыбыИл-18ДОРР 88
2.2.2. Летающая лаборатория Ил-18 «Помор» 97
2.2.3. Малый самолет-лаборатория Ан-28 «Икар» 107
2.2.4. Летающая лаборатория Ан-26 «Арктика» 110
Глава 3. Методология и основные этапы комплексных авиасъемок 133
3.1. Планирование работ 134
3.2. Калибровка аппаратуры 135
3.3. Методология крупномасштабной фоновой и полигонной авиасъемок 137
3.4. Обработка данных комплексной авиасъемки 138
Глава 4. Практика авиаразведки и картирования пелагических рыб арктических морей 149
4.1. Биологические предпосылки авиапоиска рыбных скоплений .. 153
4.2. Результаты инструментального многоспектрального авиазондирования 161
4.2.1. Применение радиолокационной съемки для поиска скумбрии 161
4.2.2. Опыт многоцелевого использования лидаров 165
4.2.3. Результаты использования пассивных методов оптического зондирования 177
4.3. Авиасъемка как основа управления и регулирования промысла скумбрии в Норвежском море 180
Глава 5. Авиасъемка морских птиц как инструмент поиска скоплений рыбы и оценки состояния экосистемы 195
5.1. Результаты авиаучета морских птиц в Баренцевом море 198
5.2. Морские птицы как индикатор состояния морских экосистем 211
Глава 6. Методология и практика авиамониторинга численности гренландских тюленей беломорской популяции 228
6.1. Экология гренландского тюленя и биологические предпосылки авиаучета 230
6.2. Технология авиасъемки щенных залежек гренландского тюленя в Белом море 248
6.2.1. Результаты авиасъемки щенных залежек гренландского тюленя в Белом море в 1998 г 255
6.2.2. Результаты оценки численности щенков гренландского тюленя в 2000 г 284
6.3. Комплексная автоматизированная обработка данных 295
6.4. Метрологическое обеспечение авиаучетных съемок 300
Заключение 312
Литература 315
- Океанологические явления и процессы в приповерхностном слое океана
- Самолет-разведчик рыбы: опыт создания последовательной серии летающих лабораторий ПИНРО
- Биологические предпосылки авиапоиска рыбных скоплений
- Результаты авиаучета морских птиц в Баренцевом море
Введение к работе
Актуальность исследований. Начавшееся с 70-х годов интенсивное
освоение различных районов Мирового океана для промысла рыбы, морского
зверя и добычи гидробионтов потребовало не только строительства мощного
рыбопромыслового флота, но и разработки методологии и аппаратуры
глобального контроля параметров состояния морской среды, создания систем
оперативного слежения за состоянием и изменчивостью биоресурсов.
Необходимым условием эффективного управления рыболовством является
создание научно обоснованной методологии измерений, сбора, анализа и
интерпретации гидрометеорологической, океанографической и
рыбопромысловой информации, оперативной ее передачи конечным пользователям.
Практическая реализация системы наблюдений, контроля и управления крупномасштабной рыбохозяйственной деятельностью на море, освоения сырьевых ресурсов океана и экологического мониторинга состояния водной среды возможна в настоящее время лишь на основе комплексного многоспектрального дистанционного зондирования.
Настоящее исследование направлено на дальнейшее совершенствование и развитие методов и средств промысловой океанологии и имеет целью научное обоснование методологии использования специализированной летающей лаборатории в рыбохозяйственных промысловых и прикладных океанографических работах. В работе обосновывается состав измерительных комплексов, разрабатываются методики многоуровневых спектрально-поляризационных измерений и тематического дешифрирования данных авиазондирования океанической поверхности в интересах рыбного хозяйства и геоэкологии.
В рамках работы создана серия самолетов-лабораторий, использовавшихся в отечественной рыбохозяйственной практике в разные годы (в их числе и
ныне действующий самолет ПИНРО АН-26 «Арктика»).
Начало современного этапа развития и совершенствования методов и средств изучения морских и океанических акваторий в интересах фундаментальной науки и прикладных исследований относится ко времени запусков первых искусственных спутников Земли (ИСЗ). В начале 60-х годов в России и за рубежом начали создаваться первые специализированные самолеты-лаборатории для отработки методов спутниковых измерений и их интерпретации в рамках многоуровневых подспутниковых экспериментов. В этот период были заложены основные идеи дистанционной диагностики системы «океан-атмосфера», начали свою активную деятельность оборудованные по последнему слову техники того времени самолеты-лаборатории Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГТО), Института радиоэлектроники АН СССР, Института физики атмосферы АН СССР, Центральной аэрологической обсерватории и др.
В конце 70-х годов ПИНРО совместно с организациями, располагающими самолетами дистанционного зондирования (ГГО, ЛГУ и др.), были начаты инструментальные самолетные рыбохозяйственные исследования в Баренцевом море (научное руководство на начальном этапе осуществлялось СБ. Степиным). Однако опыт таких работ оказался не столь успешным, как ожидалось: авиационные измерительные комплексы были достаточно узко специализированными, нацеленными в основном на решение собственных ведомственных задач, мало приспособленными или просто непригодными для ведения рыбопоисковых и прикладных океанологических исследований. Эти работы выявили необходимость разработки научной методологии и специальной аппаратуры авиазондирования для решения рыбохозяйственных задач. По этой причине по инициативе и при непосредственном участии автора была начата программа исследований, направленных на выработку стратегии самолетного зондирования в интересах рыбной отрасли и смежных областей знаний.
Настоящая диссертация содержит обобщение результатов многолетних исследований и разработок автора в области научного обоснования и практического применения методов самолетного зондирования.
Созданная на основании научно-методических и технических разработок автора региональная наблюдательная система комплексного оперативного контроля состояния разнотипных акваторий Северо-Европейского региона на базе данных дистанционного зондирования может стать частью системы рационального рыболовства России и экологического мониторинга морских промысловых районов.
Состояние вопроса. Как показано теоретическими и экспериментальными исследованиями многих авторов, в том числе и нашими самолетными экспериментами, многоспектральная дистанционная информация позволяет исследовать многие океанологические явления и процессы.
Однако особенностью методов дистанционного зондирования системы «морская поверхность-атмосфера» является косвенный характер получаемой информации и ее зависимость от большого числа факторов. В связи с этим повышение точности восстановления океанологических параметров, оптимизация условий зондирования, учет взаимодействия излучения (отражения) и среды стали важнейшими задачами нашей работы.
Недостаточная изученность пространственно-временной изменчивости состояния арктических акваторий, усугубляющаяся сокращением судовых научных экспедиций и ограниченностью возможностей контактных методов исследований, препятствует дальнейшему совершенствованию промысловой океанологии. В этих условиях требуется проведение работ по развитию и модернизации системы прикладных рыбопромысловых исследований с использованием самолетов-лабораторий, оснащение их современными информационно-измерительными комплексами. Увеличение количества авиасъемочных средств и их модернизация проводились нами в связи с
постоянным повышением требований рыбной отрасли. Внимательно учитывались при этом новые технические и эксплуатационные возможности как измерительных датчиков, так и регистрирующей компьютерной аппаратуры.
Целями работы являются научное обоснование методологии рыбопромысловых исследований с использованием специализированной летающей лаборатории, построение региональной наблюдательной системы контроля состояния разнотипных акваторий, совершенствование методов и средств промысловой авиационной океанологии.
Для достижения этих целей предусматривалось решение следующих задач:
создание самолетов-лабораторий, оснащение их специализированными комплексами дистанционного зондирования, бортовыми системами сбора, экспресс-обработки, визуализации и тематического дешифрирования;
разработка методик самолетных спектрально-поляризационных измерений и картирования океанологических параметров;
разработка основных принципов комплексного экологического авиамониторинга морской среды;
разработка технологий использования самолета-лаборатории для поиска и картирования промысловых скоплений рыбы, изучения пространственного распределения гренландских тюленей и оценки их численности, авиаучета морских птиц;
внедрение разработанных технологий в практику с передачей данных
авиасъемок рыбодобывающим флотам, специалистам по прогнозированию сырьевой базы промысла и другим реальным потребителям.
Главные направления дальнейших исследований приведены на рис. 1.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ АВИАСЪЕМКИ
Разработка
авиасъемочных
средств
Модернизация
самолета-лаборатории
Испытания и
отладка оборудования
РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АВИАСЪЕМКИ
Пелагические рыбы, тюлени, киты, птицы
Водоросли, загрязнения, океанология
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ АВИАСЪЕМКИ
Тематическое дешифрирование
ГИС-анализ
Автоматизация обработки
ЭКСПЕРТИЗА
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ
ОЦЕНКИ ЗАПАСОВ и ЧИСЛЕННОСТИ
щщтт
Рис. 1 Главные направления исследований
Научная новизна. В настоящем исследовании впервые выполнено научное и методическое обоснование принципов построения специализированных самолетов-лабораторий как средства рыбохозяйственных и прикладных океанологических исследований. В результате проведения научно-методических и технических работ, научно-организационных мероприятий, а также в ходе модельных и натурных экспериментов получены следующие научные и практические результаты:
Создана серия самолетов-лабораторий Минрыбхоза СССР и Госкомрыболовства РФ для исследований океанических, морских и внутренних водоемов (Ил-18 ДОРР, Ан-28 «Икар», Ил-18 «Помор», Ан-26 «Арктика»).
Выполнен комплекс научно-технических и опытно-конструкторских работ по созданию и совершенствованию аппаратуры для дистанционного измерения параметров состояния системы «океан-атмосфера», автоматизированной обработки и оперативного картирования, послеполетной обработки, архивации и конечного тематического дешифрирования материалов авиасъемки, в том числе с использованием геоинформационных систем (ГИС).
Проведено обоснование комплексности использования различных приборов активно-пассивного спектрально-поляризационного зондирования (тепловизор, радиолокатор бокового обзора - РЛС БО, радиолокатор с синтезированной апертурой - РСА, лидар, спектрометр, фото- и видеоаппаратура) для авианаблюдений за океаническими явлениями и морскими биоресурсами.
Проведено обоснование комплексности многоуровневых морских исследований с использованием самолета, научно-исследовательских судов (НИС) и ИСЗ.
Выявлены региональные особенности комплексирования авиасъемок Баренцева и ряда сопредельных морей в целях поиска и изучения
миграций промысловых скоплений пелагических рыб, дистанционной диагностики состояния беломорской популяции гренландского тюленя и оценки ее численности, авиаучета морских птиц. 6. Собраны и систематизированы архивы (базы данных) многолетних
авиасъемок Баренцева, Белого, Норвежского, Гренландского, Карского,
морей, Ладожского и Онежского озер.
Практическая значимость работы заключается в создании основ промысловой авиационной океанологии и их внедрении в практику отечественного промышленного рыболовства. Результаты многоцелевых авиасъемок самолета-лаборатории ПИНРО используются в качестве оперативных материалов при планировании рыбохозяйственной деятельности российских промысловых флотов в Баренцевом море и Северной Атлантике. Данные многоспектральных авиасъемок являются основой для оценки состояния сырьевых запасов скумбрии в Норвежском море, численности гренландского тюленя беломорской популяции, выявления запасов гидробионтов и др. Разработана и реализована на практике методика экологического авиамониторинга Баренцева моря. Результаты исследований защищены 6 авторскими свидетельствами на изобретения, 5 из которых внедрены.
Личный вклад заключается в том, что под непосредственным руководством и при участии автора была создана региональная система контроля состояния акваторий, использующая самолеты-лаборатории различных модификаций, оснащенные приборными и информационно-измерительными комплексами, выбор и обоснование которых были также выполнены автором. Автор является инициатором и активным участником создания самолета-лаборатории Ил-18 ДОРР, был руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских и опытно-
конструкторских работ по созданию летающих лабораторий Ан-28 «Икар», Ил-18 «Помор», Ан-26 «Арктика».
В течение 20 лет автор осуществлял научное руководство разработкой и усовершенствованием методов авиасъемки морской поверхности и поиска промысловых скоплений рыб, исследованиями по тематическому дешифрированию данных, работами по внедрению результатов авиасъемок для оценки состояния биоресурсов Северной Атлантики. Лично автором разработан и внедрен в практику метод мультиспектральных авиасъемок для оценки численности гренландского тюленя. Автор был научным руководителем отраслевых, межведомственных и междисциплинарных научных и исследовательских программ, основным разработчиком и руководителем 28 комплексных программ летных экспедиций ПИНРО по планам Госкомрыболовства РФ (ранее Минрыбхоз СССР).
Самолетные исследования предполагают привлечение к ним большого количества специалистов разного профиля - от инженеров-разработчиков аппаратуры до специалистов в области морских биологических и гидроэкологических исследований. Наша инициатива по постановке таких комплексных исследований, приглашение для работы ведущих ученых из смежных областей науки и техники, в том числе и зарубежных исследователей, позволили получить уникальный по комплексности материал, обеспечить высокий потенциал работ ПИНРО, что во многом способствовало поддержанию престижа российской науки за рубежом.
В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора заключался в постановке задач, разработке методов экспериментальных исследований, теоретическом и практическом обобщении и анализе полученных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и российских симпозиумах, конференциях и съездах. Наиболее значительные из них (с 1981 по 2000 г.):
Совещание представителей МРХ СССР по совершенствованию методов и форм перспективной и оперативной разведки в открытых районах мирового океана (Керчь, 1981), II Всесоюзный съезд океанологов (Севастополь, 1982), IV Всесоюзная конференция по географии и картографии океана (Калининград, 1989), заседания ИКЕС (Копенгаген, 1992, 1997 и 2000), Международный научный семинар по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы (Киев, 1993), Third Thematic Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments (Сиэтл, 1995), Международные конференции по промысловой океанологии (Ленинград, 1995; Москва, 1997), VI и VII Всероссийские конференции по проблемам промыслового прогнозирования (Мурманск, 1995, 1998), Международная конференция по экологическому мониторингу морей Западной Арктики (Мурманск, 1997), Third International Airborne Conference and Exhibition (Копенгаген, 1997), Fourth International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments (Орландо, 1997), Международная конференция по морским млекопитающим (Архангельск, 2000).
Публикации. Общее количество опубликованных по теме диссертации работ (самостоятельно и в соавторстве) - 150, в том числе 2 монографии, 6 авторских свидетельств на изобретение, 12 препринтов. Список литературы состоит из 307 наименований.
Океанологические явления и процессы в приповерхностном слое океана
Как показано теоретическими и экспериментальными исследованиями многих авторов, в том числе и нашими самолетными экспериментами, многоспектральная дистанционная информация позволяет исследовать многие океанологические явления и процессы.
Однако особенностью методов дистанционного зондирования системы «морская поверхность-атмосфера» является косвенный характер получаемой информации и ее зависимость от большого числа факторов. В связи с этим повышение точности восстановления океанологических параметров, оптимизация условий зондирования, учет взаимодействия излучения (отражения) и среды стали важнейшими задачами нашей работы.
Недостаточная изученность пространственно-временной изменчивости состояния арктических акваторий, усугубляющаяся сокращением судовых научных экспедиций и ограниченностью возможностей контактных методов исследований, препятствует дальнейшему совершенствованию промысловой океанологии. В этих условиях требуется проведение работ по развитию и модернизации системы прикладных рыбопромысловых исследований с использованием самолетов-лабораторий, оснащение их современными информационно-измерительными комплексами. Увеличение количества авиасъемочных средств и их модернизация проводились нами в связи с постоянным повышением требований рыбной отрасли. Внимательно учитывались при этом новые технические и эксплуатационные возможности как измерительных датчиков, так и регистрирующей компьютерной аппаратуры.
Целями работы являются научное обоснование методологии рыбопромысловых исследований с использованием специализированной летающей лаборатории, построение региональной наблюдательной системы контроля состояния разнотипных акваторий, совершенствование методов и средств промысловой авиационной океанологии. Для достижения этих целей предусматривалось решение следующих задач: - создание самолетов-лабораторий, оснащение их специализированными комплексами дистанционного зондирования, бортовыми системами сбора, экспресс-обработки, визуализации и тематического дешифрирования; - разработка методик самолетных спектрально-поляризационных измерений и картирования океанологических параметров; - разработка основных принципов комплексного экологического авиамониторинга морской среды; - разработка технологий использования самолета-лаборатории для поиска и картирования промысловых скоплений рыбы, изучения пространственного распределения гренландских тюленей и оценки их численности, авиаучета морских птиц; - внедрение разработанных технологий в практику с передачей данных авиасъемок рыбодобывающим флотам, специалистам по прогнозированию сырьевой базы промысла и другим реальным потребителям. Научная новизна. В настоящем исследовании впервые выполнено научное и методическое обоснование принципов построения специализированных самолетов-лабораторий как средства рыбохозяйственных и прикладных океанологических исследований. В результате проведения научно-методических и технических работ, научно-организационных мероприятий, а также в ходе модельных и натурных экспериментов получены следующие научные и практические результаты: 1. Создана серия самолетов-лабораторий Минрыбхоза СССР и Госкомрыболовства РФ для исследований океанических, морских и внутренних водоемов (Ил-18 ДОРР, Ан-28 «Икар», Ил-18 «Помор», Ан-26 «Арктика»). 2. Выполнен комплекс научно-технических и опытно-конструкторских работ по созданию и совершенствованию аппаратуры для дистанционного измерения параметров состояния системы «океан-атмосфера», автоматизированной обработки и оперативного картирования, послеполетной обработки, архивации и конечного тематического дешифрирования материалов авиасъемки, в том числе с использованием геоинформационных систем (ГИС). 3. Проведено обоснование комплексности использования различных приборов активно-пассивного спектрально-поляризационного зондирования (тепловизор, радиолокатор бокового обзора - РЛС БО, радиолокатор с синтезированной апертурой - РСА, лидар, спектрометр, фото- и видеоаппаратура) для авианаблюдений за океаническими явлениями и морскими биоресурсами. 4. Проведено обоснование комплексности многоуровневых морских исследований с использованием самолета, научно-исследовательских судов (НИС) и ИСЗ. 5. Выявлены региональные особенности комплексирования авиасъемок Баренцева и ряда сопредельных морей в целях поиска и изучения миграций промысловых скоплений пелагических рыб, дистанционной диагностики состояния беломорской популяции гренландского тюленя и оценки ее численности, авиаучета морских птиц. 6. Собраны и систематизированы архивы (базы данных) многолетних авиасъемок Баренцева, Белого, Норвежского, Гренландского, Карского, морей, Ладожского и Онежского озер.
Самолет-разведчик рыбы: опыт создания последовательной серии летающих лабораторий ПИНРО
При пересечении как теплых, так и холодных течений прозрачность воды закономерно увеличивалась от периферии в направлении их стержневой части. В арктических водах Центрального желоба прозрачность нередко достигала 23-25 м, в то время как во всех участках Нордкапского течения она не превышала 22 м. Наиболее сложное распределение прозрачности, носящее стохастический характер, наблюдалось в градиентной зоне полярного фронта, выявленной по показаниям комплекса ИК-радиометрии. Так на участке акватории между 7400,-75о00 с.ш. и 45о30 -46о00 в.д. прозрачность изменялась от 16 до 22 м на протяжении всего нескольких миль. Подобные градиентные зоны отмечены и в других участках Баренцева моря.
Следует особо подчеркнуть, что не всегда резкие изменения прозрачности соответствовали значительным градиентам температуры. Особенно отчетливо такие несовпадения наблюдались в участках полярного фронта. В то же время на многих участках акватории отмечались как локальные увеличения, так и уменьшения прозрачности, свидетельствующие о возможных явлениях апвеллинга или даунвеллинга в этих точках. Интересно отметить, что в местах локального уменьшения прозрачности в западной части моря почти всегда отмечалось увеличение амплитуды эхо-сигналов флуоресцентного канала лидарного комплекса, а нередко и показаний спектрометра, в то время как за 42 в.д. таких особенностей вообще не наблюдалось. В процессе съемки было обнаружено несколько интересных с точки зрения описанных выше свойств зон, перспективных для детального обследования на предмет поиска промысловых скоплений.
Проведение съемок подобного типа имеет практическую ценность и в том отношении, что данные гидрооптических дистанционных измерений могут лечь с основу составления карт относительной прозрачности вод региона.
В связи с тем, что скопления рыбы приурочены к более мутным водам с большой концентрацией фитопланктона, исследования пятнистого характера распределения последнего поможет раскрытию механизмов таких совпадений. Особенно интересным в этом плане становится изучение мезомасштабной изменчивости, с которой, по-видимому, связано создание наиболее плотных промысловых концентраций, обеспечивающих сырьевую базу промышленного рыболовства.
Сопоставление данных спектрометрического и лидарного комплексов, особенно для юго-западной части исследуемой акватории, убедительно свидетельствует о том, что мезомасштабная изменчивость прозрачности, а, следовательно, и концентрации фитопланктона, чаще всего реализуется в пятнах с поперечным сечением от 6 до 24 км. Появление таких пятен, особенно в благоприятных гидрологических условиях, может стать толчком к формированию зоны повышенной биопродуктивности. Однако если исходить из концепции «критического линейного размера пятен фитопланктона» [Levin, Segel, 1976], вряд ли можно признать, что зоны с поперечными размерами менее 15 км могут индуцировать значительное возрастание биомассы на сколько-нибудь продолжительное время.
Одной из интересных особенностей съемки было выявление гидрооптических неоднородностей в водах, где теоретически в данном сезоне не должно наблюдаться заметных концентраций растительной биомассы. Так, 14 октября, при съемке северо-восточной части Баренцева моря в однородной арктической массе вод со средним значением прозрачности около 23 м была обнаружена локальная зона протяженностью 30 км с начальными координатами 7339 с.ш. и 4056 в.д. Прозрачность воды на участке маршрута, пересекающем эту зону, уменьшилась до 11 м, а основной канал оптико-локационного комплекса зарегистрировал сигналы, отраженные с глубины 6 м. Заметного градиента температуры по данным ИК-радиометрического комплекса на этом участке не наблюдалось.
Итогом этих работ стало методическое обоснование использования данных дистанционных измерений с учетом различий пространственного разрешения и глубины зондируемого слоя, практическая «привязка» их и интеграция в систему региональных наблюдений за гидрологическим режимом морей и океанов.
Прикромочные зоны - районы высокой биопродуктивности, поэтому океанографические и биологические исследования здесь особенно важны для промышленного рыболовства. В результате комплексных экспериментов по схеме «ИСЗ-самолет-судно» в прикромочной зоне морских дрейфующих льдов Баренцева моря в 1988-1991 гг. [Сочнев, Черноок, Волошина, 1991] нами получены картосхемы пространственно-временного распределения основных океанологических параметров состояния среды у ледовой кромки.
К основным материалам, которые были получены в ходе комплексной экологической съемки 1991 года, следует отнести картосхемы ТПО и фактической ледовой обстановки, концентрации морских птиц, локализации загрязнений, полей биопродуктивности [Матишов, Черноок, Сочнев, Забавников, 1994].
Для получения ТПО использовались прокалиброванные абсолютные значения температуры по данным ИК-комплекса, а в качестве основной информации о ледовой обстановке - материалы визуальных наблюдений и видеосъемки.
В целом распределение ТПО было близко к среднему многолетнему. Полярный гидрологический фронт простирался с запада на восток через центральную часть Баренцева моря. Фронтальная зона была наиболее четко выражена в районе о-ва Медвежий (Западный полигон). Характерные градиенты температуры во фронтальной зоне составили 0,05С/милю, при максимальных перепадах в 1С/милю. Севернее о-ва Медвежий на границе Баренцева и Норвежского моря отмечалось меандрирование фронтальной зоны.
Ледовая кромка была обнаружена в северной части Баренцева моря на 79 с.ш. и имела сложную конфигурацию. Ее положение также соответствовало среднему многолетнему. Дрейф льдов происходил в южном и юго-западном направлениях. В проливе Франца-Виктории в районе архипелага Земля Франца-Иосифа отмечались льды сплоченностью 7-8 баллов. Проливы самого архипелага были, в основном, свободны от льдов. В районе острова Земля Вильчика, отмечалось интенсивное формирование айсбергов благодаря сходу ледников в море. Аналогичное явление имело место и в бухтах Северного острова архипелага Новая Земля.
Отработка методов многочастотной радиолокации льдов проводилась в натурных условиях при решении практических ледовых задач совместно с ААНИИ и ИРЭ АНУ (г. Харьков) в 1992-1994 гг. Многообразие структур и форм льда, с которым приходится сталкиваться при проведении ледовых операций, требует применения более совершенных многочастотных радиолокационных систем. Основой предлагаемого нового метода диагностики ледяных покровов является различие частотных особенностей характеристик радиолокационных отражений разными типами льда в разных диапазонах волн.
Биологические предпосылки авиапоиска рыбных скоплений
На протяжении ряда десятилетий экосистема Баренцева моря испытывает все возрастающее антропогенное воздействие (активное изъятие биологических ресурсов, интенсивное судоходство, геофизическая разведка континентального шельфа). В Баренцевом море и на его побережье разведано около 100 месторождений нефти и газа. Промышленное освоение этих месторождений вызовет существенную активизацию производственной деятельности в Баренцевом море (для эксплуатации месторождений будет сформирован флот -танкеры, трубоукладчики, ледоколы, сверхмощные буксиры, сборщики буровых и судовых отходов, баржи-площадки и др.). При разработке Приразломного месторождения в результате переноса загрязняющих веществ мощным морским течением может резко ухудшиться экологическая обстановка в районе полуострова Канин и горле Белого моря. При разработке Шток-мановского месторождения вероятен перенос загрязненных вод с севера на юг ветвью холодного Центрального течения к важным рыбопромысловым районам. В полярных экосистемах отрицательные биологические эффекты нефтяного загрязнения наиболее ощутимы, поскольку низкие температуры воды и воздуха тормозят естественные процессы химического, биохимического и микробиологического окисления углеводородов даже в летний период.
Исторически Баренцево море известно как богатый рыбопромысловый регион - в настоящее время на его долю приходится около 5% мировой добычи океанических и морских рыб (около 40% годовой добычи рыб и других морепродуктов в регионе приходится на долю России). Предстоящая активизация производственной деятельности в регионе требует осуществления постоянного контроля состояния природной среды Баренцева моря и, особенно, его юго-восточной части, т.к. при серьезных нарушениях экологического баланса в Баренцевом море максимальный ущерб будет нанесен рыбному хозяйству региона.
Береговые стандартные пункты гидрохимических наблюдений, сеть которых создана в СССР в 1964-65 годах, регистрируют загрязненность вод в отдельных прибрежных пунктах. Однако эта сеть сравнительно редка, а в открытых районах морей отсутствует вовсе. Загрязненность же водных объектов и особенно их прибрежных районов, сравнительно быстро изменяется в пространстве. Поэтому часто бывает трудно или даже невозможно составить по материалам береговых наблюдений реальную картину распространения и распределения загрязнений по акватории.
Частично этот недостаток береговых наблюдений компенсируется судовыми съемками загрязнений. Однако выполнение последних на протяженных морских акваториях, даже если они производятся по сравнительно разреженной сетке, занимает обычно две-три недели и более. Быстрая изменчивость гидрометеорологических и гидрохимических элементов во времени (особенно поверхностных загрязнений нефтепродуктами) делает материалы судовых съемок, столь растянутых по времени, как правило, малосопоставимыми. Следовательно, по ним также нельзя составить синхронную картину распределения загрязнений по обширной акватории моря. Эту задачу можно достаточно успешно решить с помощью дистанционного зондирования.
Проводя регулярные авиасъемки, мы не только выявляем влияние загрязнений на морскую экосистему в целом, но и решаем ряд частных задач оперативного определения вида и источников загрязнений, оценки объема загрязняющих веществ и путей их переноса, а также выделения зон критического накопления загрязняющих веществ. Для регистрации загрязнений используются ИК-радиометрия, лидар, спектрометрия, аэрофото-, видео- и СВЧ-съемка, а также визуальные наблюдения. Комплексирование различных измерений позволяет диагностировать в настоящее время большинство загрязнителей - нефтепродукты, мусор (древесина, металлы, полимерные материалы), устанавливать места несанкционированных промышленных сбросов (см. рис. 1.22 и 1.23) [Черноок, Пономарев, 1991; Матишов, Сочнев, Черноок, 1993].
По данным, полученным при проведении в 1991 г. комплексной экологической авиасъемки Баренцева моря, основная часть поверхностных загрязнений концентрируется в зонах мощных квазистационарных течений (Южно-Шпицбергенского, Зюйдкапского, Медвежинского, Новоземельского и др.) и в районах полярной фронтальной зоны (рис. 1.19). Это в основном бревна (рис. 1.24), деревянные ящики и другие отходы деревообрабатывающей промышленности, а также полиэтиленовые пакеты и бумажный мусор (рис. 1.25). В районе острова Медвежий, где фронтальная зона была более четко выражена, загрязнения концентрировались в виде протяженных жгутообразных полос, которые иногда трассировались сгустками пены. Большие скопления птиц в некоторых районах свидетельствовали о том, что основную массу загрязнений составляли отходы переработки рыбы.
Результаты авиаучета морских птиц в Баренцевом море
Лидарные методы дистанционного зондирования океана основаны на анализе интенсивности, спектральных, поляризационных, угловых и временных характеристик эхо-сигнала, возникающего при зондировании водной толщи коротким мощным лазерным импульсом. Применение лидаров оказывается наиболее эффективным при их размещении на авианосителе.
Использование авиационных лидаров для зондирования приповерхностных слоев океана позволяет решать широкий круг актуальных задач. Среди них - экологический мониторинг акваторий, испытывающих повышенную антропогенную нагрузку, оперативная разведка рыбопромысловых районов, океанологические исследования, а также подспутниковые измерения в различных районах Мирового океана, проводимые для оценок биопродуктивности и глобальных потоков вещества. Интерес к использованию авиационных лидаров обусловлен тем, что они: обеспечивают быстрый сбор оперативной информации о различных процессах на поверхности и в подповерхностном слое океана на значительных акваториях; дают практически не искаженные временной изменчивостью пространственные распределения измеряемых характеристик; работают в условиях, когда пассивное зондирование со спутников и авианосителей в видимой области невозможно (сплошная облачность, темное время суток); позволяют проводить измерения на акваториях, где исследования с судов затруднены (мелководье со сложным рельефом, сложная ледовая обстановка). Важнейшее преимущество лидарных методов по сравнению с другими дистанционными методами исследования океана (акустическими, радиолокационными) - уникальная возможность проведения измерений через границу раздела «воздух-вода». Среди недостатков авиационных лидарных методов, ограничивающих возможности их практического применения, следует отметить следующие: Лидары позволяют получать информацию только о поверхности и относительно тонком (до глубины 50-70м) приповерхностном слое морской воды. Важно отметить, однако, что именно в этом слое наблюдается наиболее сильная изменчивость характеристик морской воды, здесь наиболее интенсивно протекают экологические процессы и именно этот слой подвергается наибольшему антропогенному воздействию. Лидары позволяют определять только оптические характеристики морской воды. В то же время существование корреляционных связей гидрооптических характеристик с концентрацией взвешенного в морской воде и растворенного вещества, а также с целым рядом биологических, гидрохимических и гидрологических характеристик позволяет исследовать с помощью лидаров содержание и распределение в толще воды биопродукции и минеральной взвеси, различных растворенных веществ, регистрировать слои повышенной мутности и определять их характеристики, изучать внутренние волны и гидрологические фронты, контролировать процессы антропогенного загрязнения океана. Лидарные методы относятся к дистанционным и косвенным, что сильно осложняет проведение с их помощью абсолютных измерений. Во многих случаях для проведения калибровок, необходимых для получения абсолютных значений измеряемых величин, приходится привлекать данные сопутствующих судовых измерений, выполненных на небольшом количестве станций в исследуемой акватории. Однако современной тенденцией развития авиационных лидарных методов является разработка методик, позволяющих получать абсолютные значения различных характеристик морской воды непосредственно из авиационных измерений и сводить сопутствующие судовые измерения к минимуму. По методам измерений и по решаемым задачам существующие авиационные лидары можно разделить на следующие типы: (a) флуоресцентные (спектральные) лидары, дающие информацию о качественных и количественных характеристиках взвешенного и растворенного в морской воде вещества путем анализа спектрального состава проинтегрированных по времени эхо-сигналов от верхнего относительно тонкого слоя воды; (b) батиметрические лидары, обеспечивающие регистрацию вертикальных профилей характеристик морской воды путем анализа временной формы эхо-сигнала, возникающего при зондировании толщи океанской воды коротким лазерным импульсом. Лидарная аппаратура сложна, нет авиационных лидаров, выпущенных промышленностью хотя бы в малых сериях. По этой причине нами были разработаны технические требования на импульсные лидары «Макрель» (Ил-18 ДОРР) [Пономарев, Черноок, 1988] и АПЛ-1 (Ан-26 «Арктика»). Исследования с помощью лидара «Макрель» проводились совместно с учеными Института оптики атмосферы СО АН в период с 1985 по 1991 г. в Баренцевом и Норвежском морях. В 2000 г. на борту самолета лаборатории АН-26 «Арктика» был установлен авиационный поляризационный лидар АПЛ-1 (Институт океанологии РАН). Летные испытания и экспериментальная лидарная съемка были выполнены в сентябре 2000г. при полетах над акваториями Белого и Баренцева морей. Летные испытания АПЛ-1 прошли успешно и показали, что условия на борту самолета-лаборатории вполне обеспечивают возможность работы лидара, в том числе проведения многочасовых циклов измерений.
Экспериментальная лидарная съемка проведена при высоте полета самолета 200м и поверхностном волнении до 4 баллов. Зарегистрированы высокая пространственная изменчивость оптических характеристик воды, фронты, разделяющие различающиеся по оптическим свойствам водные массы, подповерхностные слои повышенной мутности, а также районы, характеризующиеся пятнистостью пространственного распределения оптических характеристик верхней толщи вод, связанной, по-видимому, с пятнистостью распределения планктона. Результаты лидарной съемки показали, что АПЛ-1 является эффективным инструментом для исследования акваторий северных морей. Именно при съемке акваторий с такой высокой пространственной изменчивостью горизонтальных и вертикальных распределений все преимущества импульсных лидаров реализуются наиболее полно.
Результаты летных испытаний и экспериментальной лидарной съемки продемонстрировали возможность использования АПЛ-1 для проведения авиационной съемки.
В целом результаты выполненных исследований показывают, что включение АПЛ-1 в состав бортового аппаратурного комплекса самолета-лаборатории существенно повышает информативность и достоверность результатов съемки и позволяет выполнять инструментальную оценку запасов пелагических рыб, обитающих в приповерхностном слое на глубинах 0-40 м.
