ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 4, с. 27-31
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
О ПРИРОДЕ КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА СПУТНИКОВЫХ СНИМКАХ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ОЗЕРА БАЙКАЛ
© 2014 г. Г. С. Бордонский*, С. Д. Крылов
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита *Е-таИ: lgc255@mail.ru Поступила в редакцию 27.09.2013 г.
На основании ранее выполненных самолетных микроволновых радиометрических измерений ледяного покрова оз. Байкал предложена гипотеза, объясняющая образование кольцевых структур. Предполагается, что эти структуры могут образовываться в ледяном покрове в период его таяния из-за действия переменных тепловых потоков при суточных вариациях температуры.
Ключевые слова: ледяной покров, микроволновый диапазон, кольцевые структуры, оз. Байкал
Б01: 10.7868/80205961414040010
ВВЕДЕНИЕ
Космический мониторинг Байкальской природной территории позволил обнаружить на заснеженном ледяном покрове оз. Байкал кольцевых образований диаметром 7—8 км. Природа кольцевых образований на оптических изображениях ледяного покрова в весенний период обсуждалась в работах ряда авторов (Гранин, 2009; Бал-ханов и др., 2010; Балханов и др., 2013).
В работе (Гранин, 2009) предполагалось, что кольца могут возникать вследствие подъема на поверхность глубинных вод из-за извержения грязевых вулканов. Рост температуры в центральной части будущей кольцевой структуры приводит к образованию антициклонического течения. Из-за усиления вертикального водообмена над зонами максимальных течений ледяной покров разрушается сильнее. В работах (Балханов и др., 2013; Балханов, Башкуев, 2013) приведена другая интерпретация данного феномена. По мнению авторов, формирование колец связано с выбросами природного газа из осадочной толщи дна оз. Байкал. Поднимаясь к поверхности, газ успевает прогреть окружающую холодную воду, в результате в толще образуется конвекция в виде тороидальной фигуры вращения вокруг выброса природного газа. Вследствие постепенного подтаивания нижней кромки ледяного покрова происходит его истончение, что и приводит к проталине на заснеженном льду.
Следует отметить, что на сегодня имеется мало экспериментальных данных (http://www.scanex. ru/ru/news/News_Preview.asp?id=n24767232; Гранин, 2009; Балханов и др., 2010; Балханов и др.,
2013), позволяющих сделать однозначные выводы о природе круговых образований на снимках ледяного покрова оз. Байкал. Также нет сообщений о них при анализе радиолокационных изображений (РЛИ) ледяного покрова.
Анализ аргументов, приведенных в работах (Гранин, 2009; Балханов и др., 2010; Балханов и др., 2013), указывает на следующие недостатки представленных моделей: выбросы грязевых вулканов должны приводить к загрязнению льда частицами грунта, о чем не было сообщений; выбросы газов по модели (Балханов и др., 2013; Балханов, Башкуев, 2013) должны иметь значительные объемы, так как необходимо привести в движение миллионы тонн воды в тороидальной структуре диаметром несколько километров; водная толща находится в устойчивом стратифицированном состоянии. В том и другом случаях выбросы грязи и газа должны были быть зарегистрированы, например, на ИК-изображениях или РЛИ в период открытой воды. Так, в районах Адриатического моря искали нефтегазовые месторождения с использованием ИК-радиометров по выбросам газов и охлаждению поверхности воды при их адиабатическом расширении (Кочек, 1984).
Цель настоящей работы — представить альтернативный механизм формирования кольцевых структур на основе имеющихся экспериментальных данных и выполненных нами в 1989 г. измерениях радиотеплового излучения тающего ледяного покрова оз. Байкал.
Рис. 1. Кольцевая структура на оз. Байкал севернее дельты р. Селенга на изображении от 20.04.2003 (http://www.scanex.ru/ ru/news/News_Preview.asp?id=n24767232). Пунктирная линия — одна из трасс полета самолета над ледяным покровом, по которой были выполнены микроволновые радиометрические измерения (см. рис. 2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Имеющиеся изображения в видимом диапазоне спектра позволяют зарегистрировать состояние верхней части снежно-ледяного покрова. На рис. 1 приведено одно из таких изображений, полученных приемной станцией "СканЭкс". Обращает на себя внимание тот факт, что изображения были получены в апреле (в разные годы), т.е. в то время, когда снежно-ледяной покров оз. Байкал подвергается интенсивному таянию и деструкции. По-видимому, нарушения в структуре ледяного покрова накапливаются длительное время, еще до начала активной фазы таяния. Поэтому представляет интерес получение данных дистанционного зондирования (ДЗ) о структуре объекта
в более ранний период времени, например, в марте и начале апреля. Такие данные могли бы оказать помощь в выработке адекватной модели формирования талых кольцевых структур.
Перед началом активного таяния при слабом увлажнении льда он является радиопрозрачным, следовательно, для определения внутреннего состояния покрова можно использовать методы радиозондирования, в частности, метод микроволновой радиометрии (Бордонский, Гурулев, 2008; Бордонский, 1990).
В 1989 г. сотрудниками лаборатории геофизики криогенеза Института природных ресурсов, экологии и криологии (ИПРЭК СО РАН) в конце марта—начале апреля были выполнены самолет-
О ПРИРОДЕ КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА СПУТНИКОВЫХ СНИМКАХ
29
ные измерения радиотеплового излучения южной части оз. Байкал на длине волны 2.3 см. Измерения выполнялись с борта самолета АН-2 с высоты 1 км. Наблюдения выполнялись в надир, разрешение по поверхности составляло около 300 м. Записи выполнялись при движении по параллельным траекториям, отстоящим друг от друга на несколько километров. За двое суток была отснята территория южной части оз. Байкал, включая те области, где были позже обнаружены кольцевые структуры.
Результаты измерений радиояркостной температуры (Тя) приведены на рис. 2. На нем представлен график изменения радиояркостной температуры при пролете через участок, где наблюдали кольцевую структуру (траектория движения самолета представлена на рис. 1 пунктирной линией). Хотя из полученных данных нельзя построить изображение, на котором можно было бы различить кольца диаметром 7 км, однако вариации радиояркости могут дать некоторую информацию о состоянии льда в начальный период его таяния (31 марта—2 апреля). При изучении результатов измерений предполагалось, что, согласно гипотезам (Гранин, 2009; Балханов и др., 2010; Балханов и др., 2013), кольцевые структуры и их предшественники возникали и в другие годы.
Особенности графика на рис. 2 заключаются в наличии характерных сильных вариаций Тя вдоль трассы полета самолета с пространственным изменением 2—10 км. Вариации Тя достигали 40 К, что соответствует существованию увлажненного льда при значениях Тя ~ 220—240 К и сухого льда для Тя ~ 190—200 К. Расчеты были выполнены по методу, изложенному в (Клепиков, Шарков, 1992). Такие волнообразные вариации Тя оказались неожиданными, так как по опыту измерений на небольших озерах Забайкалья предполагали относительно слабые ее изменения, порядка единиц К (Бордонский, 1990), по акватории озера. Исключения составляют береговая зона или особые участки, где происходит торошение льда. Сравнение сигналов на границах соседних траекторий показало, что экстремумы на них не совпадают. Это означает, что существенные вариации радиояркости наблюдались и в направлениях, перпендикулярных направлению движения самолета с радиометром.
ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ПРИЧИНЫ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ЛЬДА
Волнообразные изменения Тя с периодом 2—10 км оказались типичными для всего ледяного покрова оз. Байкал, а не только для районов, где наблюдали картины кольцевых структур. Это позволяет предположить, что причина структурирования ледяного покрова определяется, прежде всего,
Тя, К 240
210
180
20
40 I, км
Рис. 2. Трассовая запись радиояркостной температуры ледяного покрова оз. Байкал от 31 марта 1989 г. Длина волны 2.3 см. Траектория движения представлена пунктирной линией 1—2 на рис. 1.
взаимодействием его с атмосферой и водной средой, а также динамическими явлениями при периодическом суточном изменении температуры.
Одной из причин появления разрушения в ледяных покровах водоемов являются термические растяжения и сжатия, которые приводят к появлению трещин. Трещины обычно связываются с линейными образованиями, которым, однако, предшествуют некоторые структурные превращения льда. Например, в работе (Бордонский, 2007) предполагается, что так называемые "становые" трещины на оз. Байкал возникают вследствие определенной пространственной упорядоченности главной оптической оси кристаллов льда, которые ослаблены вдоль базисных плоскостей и более подвержены деформациям сдвига по этим плоскостям. Упорядочение возникает из-за влияния подледных течений в процессе роста льда, этот эффект был установлен рядом исследователей. Сами трещины возникают в определенных пространственных областях под действием механических напряжений (термических, при волновых движениях).
В других случаях возможно возникновение замкнутых структур, примером которых являются трещины в структурных мерзлых грунтах (Уош-борн, 1988). Эти образования — следствие процессов таяния и замерзания воды в грунтах, и они представлены многообразием форм, в которых есть округлые образования: пятна — медальоны, пинго (округлые ядра с ледяным ядром); полигоны, имеющие форму замкнутых многоугольников (с сортировкой обломочного материала). Общая теория образования структурных грунтов отсутствует из-за сложности процессов в нелинейных неоднородных средах. Случаи образования кругов в мерзлых грунтах, тем не менее, можно свя-
0
зать с симметрией среды в горизонтальной плоскости. То же относится к полигонам, но здесь имеет место усложнение начального этапа их образования в углах полигонов из-за роста гексагональных кристаллов льда и некоторой неоднородности среды.
Можно предположить, что процесс структурирования, аналогичный появлению структур в поверхностных слоях мерзлых грунтов, имеет место и для ледяных покровов при периодическом подтаивании и замерзании в конце зимы—начале
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.