ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 4, с. 88-93
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА АРКТИКИ
АЛЬБЕДО СНЕЖНО-ЛЕДНИКОВОИ ПОВЕРХНОСТИ АРХИПЕЛАГА ШПИЦБЕРГЕН © 2015 г. Б. В. Иванов*, П. Н. Священников
Государственный научный центр "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт"
Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, Россия *Е-таП: b_ivanov@aari.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
В статье обсуждаются результаты измерений альбедо снежно-ледниковой поверхности арх. Шпицберген на примере ледника Альдегонда (район зал. Грен-фьорд) и в окрестности российского пос. Баренцбург, выполненные в последние годы, включая полевую фазу III Международного Полярного года. Анализируются пространственная и временная изменчивость альбедо и его взаимосвязь с естественным и антропогенным загрязнением поверхности.
Ключевые слова: Арктика, Шпицберген, альбедо, загрязнение поверхности Б01: 10.7868/80205961415040041
Спутниковые методы дистанционного зондирования земной поверхности (ДЗЗ) основаны на анализе электромагнитного излучения, которое в случае пассивного зондирования либо излучается собственно объектом исследований, либо является отражением солнечного излучения (Смирнов, 2011). Собственное электромагнитное излучение в атмосфере частично поглощается и рассеивается водяным паром, двуокисью углерода и пр. Часть его поглощается поверхностью или теряется при отражении от нее. При дистанционном исследовании величины альбедо (от лат. а1Ъш — белый) как правило используются ультрафиолетовый (УФ), видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазоны электромагнитного спектра. При этом в УФ-области наиболее важен диапазон 320—400 нм, в котором солнечное излучение не поглощается кислородом и озоном. Наиболее часто при ДЗЗ используется видимый диапазон (400—800 нм). В то же время в полярных районах использование результатов зондирования в видимом диапазоне для изучения подстилающей поверхности (морской лед, снежно-ледниковые покровы арктических островов и архипелагов) ограничено светлым временем суток (полярный день) и относительно ясной (минимум облачности) погодой.
В климатических исследованиях и теплоба-лансовых расчетах используются интегральное (300—3000 нм) и спектральное альбедо, получаемое для определенной длины волны. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку элементы загрязнения поверхности снега и льда
антропогенного ("черный карбон" — двуокись углерода) и естественного происхождения (частицы минерального и биологического происхождения) обладают селективным характером поглощения и могут успешно определяться методами ДЗЗ. Тем более что влияние загрязнения снежной поверхности вблизи крупных хозяйственных объектов в Арктике (порты, ТЭЦ, поселки, объекты нефтегазодобывающей отрасли и пр.) распространяется на десятки километров вокруг (Демин и др., 2011).
Отражательная способность снежно-ледниковых поверхностей имеет принципиальную спектральную зависимость (^п&ег й а1., 2003). При этом один и тот же тип поверхности (например свежевыпавший снег) будет иметь разное альбедо в различных частях спектра (Смирнов, 2011). В коротковолновой части видимой области спектра оно максимально, а в ближней ИК-области минимально. Одной из основных причин сезонных изменений альбедо в Арктике являются изменчивость метаморфической структуры снежно-ледяной поверхности (Александров и др., 1996).
Корректные оценки альбедо в полярных областях Земли, в первую очередь морских льдов и ледниковых покровов, чрезвычайно важны для оценки возможных климатических изменений. По мнению ряда отечественных и зарубежных исследователей, положительные обратные связи, такие как "альбедо—приземная температура воздуха", генерируют и поддерживают так называемый механизм "Арктического усиления". Таким образом, мониторинг отражательных характеристик снежно-ледниковых поверхностей на раз-
личных пространственных масштабах чрезвычайно важен и невозможен без использования средств и методов ДЗЗ. Подобные наблюдения в первую очередь необходимы для верификации снимков искусственных спутников Земли (ИСЗ) малого и среднего разрешения. К таковым относятся спутники Terra и Aqua, имеющие в качестве средства измерений спектрорадиометр MODIS, а также ИСЗ "Метеор-М № 1", Landsat-5,7, "Ре-сурс-ДК" и ряд других (Смирнов и др., 2011). Упомянутые ИСЗ позволяют получать информацию об отражательных характеристиках поверхности в разных диапазонах видимой и ИК-обла-стей спектра с пространственным разрешением от 1 до 1000 м. Для качественной верификации данных ДЗЗ необходимо проведение детальных и регулярных наземных измерений альбедо (ground true measurements) в различных спектральных диапазонах (Winther et al., 1999, 2001).
Площадь ледниковых покров арктических островов, а также площадь их снежного покрова и продолжительность его залегания в совокупности являются значимыми индикаторами климатических изменений. В этом аспекте ледники и снежный покров арх. Шпицберген, по сравнению с другими арктическими о-вами, являются, безусловно, наиболее изученными (Winther et al., 2003). Одним из наиболее важных результатов этих исследований является заключение об устойчивом сокращении площади ледников архипелага, начиная с 30-х годов ХХ в. Основные причины этого процесса связаны с воздействием как адвективных, так и радиационных факторов изменения климата. По-видимому, во взаимодействии этих механизмов и следует искать причины современного состояния ледниковых и снежных покровов архипелага и тенденции их будущих изменений. При этом важную роль играет и собственно отражательная способность указанных выше поверхностей.
Как известно, радиационный баланс ледниковой поверхности определяется не только величиной приходящей коротковолновой солнечной радиации, которая определяется астрономическими факторами, влагосодержанием атмосферы, наличием различных газовых компонент и влиянием облачности, но и собственно отражательной способностью подстилающей поверхности. Более того, альбедо является важной характеристикой для определения поглощенной коротковолновой радиации радиационно-активным слоем ледника, т.е. определяет долю абляции, обусловленную радиационными причинами.
Известно, что наиболее яркие по форме и значимые по содержанию процессы трансформации снежно-ледниковых покровов в Арктическом регионе происходят в весенне-летний период. Именно в это время, благодаря максимальной инсоляции и контактному теплообмену, наблюдается резкое уменьшение альбедо поверхности, а
процессы абляции становятся наиболее интенсивными. Уменьшение альбедо обусловлено не только процессами, происходящими непосредственно на поверхности, но и сложными процессами термического метаморфизма, протекающими в активном слое снега или льда и обусловленными проникновением солнечной радиации (Тимерев, Назаров, 1988). Альбедо такой поверхности, в течение многих месяцев оставаясь квазипостоянным и максимальным, за очень короткий интервал времени резко уменьшается по величине (^п&ег й а1., 2003). Именно в этот период наблюдается максимальная скорость абляции, при этом вклад радиационных и адвективных факторов не остается постоянным. Кроме того, в Арктике в период таяния снега и льда особенно велики и не предсказуемы последствия естественного или антропогенного загрязнения поверхности. Однако загрязнения могут как усилить, так и ослабить процесс абляции. Уменьшение интенсивности абляции происходит при превышении уровня загрязнения поверхности определенной критической величины (поверхностной концентрации). В этом случае слой загрязнений на поверхности играет роль своеобразного защитного экрана (протектора), существенно замедляющего таяние (Песчанский, 1969; Гуапоу е! а1., 2004).
Как известно (Александров и др., 1996), альбедо подстилающей поверхности зависит от ее структуры, времени суток, а также от ряда метеорологических факторов. На арх. Шпицберген долговременные наблюдения за альбедо поверхности суши (тундры) проводятся на научной станции Норвежского Полярного института в пос. Нью-Алесун (Шп&ег е! а1., 2003). Однако наблюдения, выполненные на метеорологических площадках станций, дают представление о величинах альбедо, характерных для ограниченных (постоянных) участков поверхности в различные сезоны года. Маршрутные (профильные или площадные) наблюдения позволяют получить средние величины альбедо, характеризующие отражательные способности больших площадей.
Пространственные измерения альбедо (так называемые площадные съемки) до недавнего времени на арх. Шпицберген не проводились. Впервые это удалось осуществить на примере небольшого ледника Альдегонда, расположенного на западном побережье зал. Грен-фьорд (о-в Западный Шпицберген) в апреле 2005 г.
В отечественной практике для измерения альбедо естественной поверхности в полевых условиях использовался походный альбедометр, сконструированный на базе термоэлектрического пиранометра М-115М (Янишевский, 1957), измеряющего интенсивность солнечной радиации в диапазоне длин волн, равном, примерно, 300— 3000 нм. При измерениях на склонах (ледники, склоны холмов, гор и т.п.) использовалась методика, предложенная в Арктическом и Ан-
14.11
С
Рис. 1. Альбедо снежной поверхности ледника Альдегонда в период 16.04.2005—21.04.2005.
тарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) (Иванов, Поляков, 2013). При исследовании взаимосвязи альбедо и искусственно загрязненных участков поверхности мы воспользовались практическими и методическими рекомендациями, изложенными в работе (Песчанский, 1967).
Площадные измерения альбедо, впервые проведенные на леднике Альдегонда, показали существенную пространственную и временную изменчивости этой характеристики. В апреле альбедо поверхности изменялось в пределах от 58 до 84% (рис. 1). Ледник в это время года полностью покрыт снегом, а признаки таяния снежного покрова, как правило, отсутствуют. Пространственное распределение альбедо в данном случае определяется рельефом поверхности ледника (азимутом склона), высотой окружающих ледник горных хребтов (как следствие, постоянное или временное затенение отдельн
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.