научная статья по теме СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОТРАЖЁННОЙ И ПРОНИКАЮЩЕЙ В ГЛУБЬ СНЕЖНОГО ПОКРОВА КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ В РАЙОНЕ ПОСЁЛКА БАРЕНЦБУРГ (ШПИЦБЕРГЕН) Геофизика

Текст научной статьи на тему «СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОТРАЖЁННОЙ И ПРОНИКАЮЩЕЙ В ГЛУБЬ СНЕЖНОГО ПОКРОВА КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ В РАЙОНЕ ПОСЁЛКА БАРЕНЦБУРГ (ШПИЦБЕРГЕН)»

Лёд и Снег • 2015 • Т. 55 • № 3

УДК 551.326:551.521(268) doi:10.15356/2076-6734-2015-3-67-72

Спектральный состав отражённой и проникающей в глубь снежного покрова коротковолновой радиации в районе посёлка Баренцбург (Шпицберген)

© 2015 г. П.Н. Священников1,2, А.В. Уразгильдеева1,2, Ю.Н. Курочкин1, Б.В. Иванов2,1,

К.В. Чистяков1, D. Divin3, S. Hudson3

1Санкт-Петербургский государственный университет; 2Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург; 3Норвежский Полярный институт, г. Тромсё svyashchennikov@mail.ru

Spectral composition of shortwave radiation reflected and deep penetrating into snow near the

Barentsburg settlement (Svalbard)

P.N. Svyashchennikov1,2, А.У. Urazgildeeva1,2, Y.N. Kurochkin1, B.V. Ivanov2,1, K.V. Chistyakov2,

D. Divin3, S. Hudson3

1Sankt-Petersburg State University; 2Arctic and Antarctic Research Institute, Sankt-Petersburg; 3Norwegian Polar Institute, Tromso

Статья принята к печати 19 февраля 2015 г

Баренцбург, спектральное альбедо снежной поверхности, Шпицберген.

Barentsburg, spectral albedo of snow surface, Svalbard.

Представлены результаты измерений спектрального состава отражённой от снежной поверхности и проникающей вглубь коротковолновой радиации. Измерения выполнены с помощью спектрального радиометра TriOS Ramses в диапазоне длин волн 280-950 нм. Результаты измерений позволят корректнее учитывать влияние антропогенного загрязнения на радиационные свойства снежного покрова в условиях хозяйственной деятельности, связанной с добычей и сжиганием угля в посёлке Баренцбург.

Data on spectral composition of shortwave radiation that is reflected from snow and penetrates deep into the snow cover obtained near the Barentsburg settlement (Svalbard) are discussed in the paper. Measurements were made by the use of the spectral radiometer TriOS Ramses within the wavelength range of 280-950 nm. The results will allow more proper taking account of the anthropogenic pollution effects on the radiative properties of snow cover under conditions of industrial activity related to the coal extraction and burning in Barentsburg.

Введение

Исследования спектральных свойств подстилающей поверхности крайне важны для изучения радиационного баланса поверхности, современных изменений климата, моделирования процессов энергомассообмена и ряда прикладных проблем. Данные о радиационных и тепло-физических свойствах снежного покрова необходимы для разработки и верификации методов и алгоритмов дистанционного зондирования поверхности [11, 22—24]. В равной мере эти данные нужны и при моделировании радиационных процессов в климатических моделях [15]. Исследования особенностей проникновения солнечной радиации в подповерхностные слои снежного покрова имеют большое значение для изучения теплового и радиационного режима деятельного слоя снежного покрова и почвы, таяния снега и морского льда [7, 8, 12—15].

В арктическом регионе снежный покров играет важную роль при определении радиационного и теплового баланса поверхности [1]. Спектральные отражательные характеристики снежного по-

крова определяют интенсивность поверхностного и внутрислойного таяния, что приводит к «драматическому» изменению свойств подстилающей поверхности, что в свою очередь интенсифицирует процессы таяния (положительная обратная связь). Уменьшение альбедо снежного покрова в основном обусловлено процессами, происходящими непосредственно на его поверхности, включая последствия естественного и антропогенного загрязнения [5, 10, 16, 17, 19—21].

Последнее обстоятельство имеет большое значение для окружающей среды в районах активной промышленной и хозяйственной деятельности. Ярким примером могут служить территории и окрестности современных арктических посёлков. В данной статье мы рассматриваем условия, которые наблюдаются в районе российского шахтёрского посёлка Баренцбург, расположенного на архипелаге Шпицберген, где ведётся добыча угля и действует тепловая электростанция (ТЭЦ). Как показали исследования, в пос. Лонгиербюен, наряду с промышленным загрязнением, дополнительный источник углеродосодержащих частиц — увеличение числа снегоходов (туризм) [10, 19].

Данные и методы исследований

Здесь мы рассмотрим результаты, полученные в рамках двухстороннего научного сотрудничества с Норвежским Полярным институтом (НПИ) по проекту Международного полярного года 2007—2008 «Арктическое климатическое многообразие» («Arctic Climate Diversity», ARCDIV), который по инициативе норвежской стороны был продлён до 2013 г. Весной 2013 г. (с 21 апреля по 9 мая) здесь работала совместная экспедиция специалистов Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ), НПИ и Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ). Основная цель совместных исследований — оценка спектральных характеристик снежного покрова в посёлке Баренцбург и его окрестностях в зависимости от уровня и характера загрязнения снежной поверхности, а также в условиях меняющейся облачности.

Поставленная цель определила две задачи экспериментальных исследований: 1) измерение и последующий анализ спектрального состава приходящей, отражённой и проникающей в глубь снежного покрова солнечной радиации; 2) расчёт на основе полученных данных спектрального альбедо. Наблюдения за приходящей и отражённой солнечной радиацией велись в нескольких пунктах на территории посёлка и за его пределами. Пункты наблюдений выбирались в местах с различными источниками загрязнений снежного покрова. Так, точка наблюдений № 1 находились в пос. Баренцбург на небольшом удалении от склада открытого хранения угля, точка № 2 — на окраине посёлка между метеорологической станцией и местной ТЭЦ, точка № 3 — на въезде в посёлок со стороны аэродрома. Снежный покров в окрестностях точек № 1 и 2 в основном загрязняется за счёт осаждения продуктов горения угля и частиц угля, переносимых за счёт местной циркуляции воздуха со склада открытого хранения угля. В точке № 3 основной источник — осыпи горных пород на восточном склоне горы, а также осаждение выбросов сжигания бензина: вдоль склона пролегает основная туристическая трасса следования снегоходов.

При исследовании использовали гиперспектральный радиометр «Ramses» (Германия), позволяющий измерять солнечную радиацию в

диапазоне 280—950 нм с разрешением 3 нм [18]. Измерения вели в соответствии с методиками, специально разработанными для гиперспектрального радиометра [18]. Наблюдения проводили комплектом из двух датчиков. Для оценки интенсивности солнечной радиации, проникающей в глубь снежного покрова, один из датчиков комплекса помещали в толщу снега на глубину от 3,5 до 7 см, а другой устанавливали над поверхностью. Датчик, установленный над поверхностью снега, при направлении вверх измерял приходящую коротковолновую радиацию, а при направлении вниз — отражённую снежной поверхностью коротковолновую радиацию. Наблюдения за коротковолновой радиацией дополнялись визуальными наблюдениями за количеством и типом облачности и состоянием диска Солнца. Это позволяло непрерывно регистрировать меняющиеся условия освещённости в зависимости от смены характеристик облачного покрова. Отметим, что установка датчика в глубь снежного покрова определялась необходимостью обеспечить прохождение коротковолновой радиации через однородный слой свежевыпавшего снега.

Для изучения влияния загрязнения снежного покрова на его отражательные характеристики проведён специальный эксперимент с искусственным загрязнением снежной поверхности частицами породы и последующей оценкой спектральных свойств этой поверхности. В результате наблюдений получены квазисинхронные серии измерений спектров суммарной, отражённой и проникающей в снег солнечной радиации при различных условиях облачности. Эти данные использованы для последующих оценок спектрального альбедо и проникающей в глубь снежного покрова радиации.

Результаты и обсуждение

Приходящая коротковолновая радиация измерялась при разных условиях облачности, что позволило оценить спектральный состав разных типов приходящей радиации: и рассеянной, и прямой. Как следует из рис. 1, спектры приходящей солнечной радиации, полученные при различных условиях облачности, имеют схожий вид и соответствуют характерным типам спектрального распределения суммарной радиации [6, 9]. Измерения показали, что изменяются только аб-

Рис. 1. Спектральный состав приходящей солнечной радиации при разных типах приходящей радиации: 1 - рассеянная радиация (облачность: 10/10 St), 2 - прямая и рассеянная радиация (облачность: 7/0 As, Cs) Fig. 1. Spectral composition of the incoming solar radiation at various types of incoming radiation: 1 - diffuse radiation (cloudiness: 10/10 St), 2 - direct and diffuse radiation (cloudiness 7/0 As, Cs)

солютные значения приходящего излучения (в условиях прямой радиации они увеличиваются), а спектральный состав при этом не меняется. Максимальные значения у всех полученных спектров суммарной радиации приходятся на диапазон длин волн 480-500 нм. В диапазонах более коротких (320-450 нм) и более длинных (500-920 нм) волн соответствующие значения убывают. В спектре имеются два локальных минимума - на длинах волн 690 и 760 нм, соответствующих полосам поглощения кислорода [3].

Особенно интересны величины спектрального альбедо поверхности снега, рассчитанные по данным измерений приходящей и отражённой радиации. На рис. 2 представлены три кривые, описывающие спектральное альбедо снежной поверхности в условиях изменения характера приходящей солнечной радиации и при разной степени загрязнённости снежной поверхности. Кривые 1 и 2 описывают спектральное альбедо чистого свежевыпавшего снега; кривая 3 - при искусственном загрязнении снега частицами породы горного склона. Измерения, соответствующие кривой 1, вели при

плотной слоистой облачности, т.е. приходящая радиация была только рассеянная. Максимальное значение альбедо приходится на длину волны 719 нм и составляет 88%. В спектре для всех кривых присутствует локальный минимум на длине волны 800 нм, который обусловливается минимумом в спектре поглощения кис

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»