XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение 

Арктика играет важную роль в глобальной климатической системе. Она помогает регулировать температуру Земли, отражая солнечное излучение благодаря белому цвету льда. Деградация арктического льда ведет к уменьшению альбедо (способности отражать свет), что, в свою очередь, ускоряет процесс глобального потепления, создавая порочный круг.

Арктика влияет на термохалинную циркуляцию — систему океанских течений, которая переносит теплоту по всей планете. Изменения в арктических водах могут вызывать изменения в течениях и, как следствие, оказывать влияние на климатические условия в других регионах.

Арктика является значительным источником поступления в атмосферу метана — газа, который существенно влияет на потепление климата. Однако при оценке выбросов метана обычно не учитываются утечки газа из глубинных источников. При высоком давлении и низких температурах метан скрывается под вечной мерзлотой и ледниками в виде метангидрата — льда, который содержит метан.

Использование дистанционного зондирования Земли для мониторинга изменений льда в Арктике представляет собой мощный инструмент, позволяющий осуществлять регулярные и масштабные наблюдения. Оно предоставляет данные о состоянии льда, его толщине, площади и движении.

Методы спутникового дистанционного зондирования ледового покрова

С конца 1992 года ледовые картирования полностью полученные с помощью ИСЗ видимого и инфракрасного диапазона с разрешением 250-1000 м. Ранее составлению надежных карт мешали облачные условия, характерные для полярных районов, и зависимость от условий освещения. Сейчас для повышения качества интерпретации используется принцип синергетического дополнения многоспектральной спутниковой информации. Так, съемки в видимом диапазоне и спутниковые радары применяют совместно с микроволновыми радиометрами, хотя пространственное разрешение пассивных микроволновых радиометров более чем на два порядка хуже, чем у радаров. Но СВЧ-изображения дают важную информацию о ледяном покрове в дополнение к данным радара. На радарном изображении старые льды выделяются сильным рассеянным сигналом, а на изображениях микроволнового радиометра - слабым собственным излучением.

Молодые и однолетние льды, наоборот, выделяются слабым рассеянным сигналом и сильным собственным излучением. Из сопоставления различных данных возможно определение сплочённости, положения кромки, дрейфа и даже возраста льдов. Для оперативных наблюдений за ледовым покровом арктических морей применяют спектрорадиометры высокого и среднего разрешения (MODIS на спутниках Terra и Aqua), а также радиолокаторы с синтезированной апертурой РСА на спутниках ERS-2, Envisat и Radarsat. Одним из первых спутников, производивших съемку ледяного покрова морей одновременно разными приборами в нескольких диапазонах спектра, стал отечественный ИСЗ «Океан». Спутники этой серии функционировали в 1983-2000 гт. и оснащались сканером видимого диапазона, радаром бокового обзора и СВЧ-радиометром. Такая комплектация позволяла распознавать границы распространения однолетних и старых льдов в период интенсивного летнего таяния, открытую воду на крупных разводьях и полыньях, а также положение кромки льдов при взволнованной открытой водной поверхности. Радары синтезированной апертуры (РСА) представляют снимки высокого разрешения (порядка 25 метров) вне зависимости от времени суток и наличия облачного покрова. Для определения динамики льда с помощью РСА разработаны достаточно надежные алгоритмы. Но существенным недостатком является низкое временное разрешении получаемых снимков при значительной временной изменчивости процессов в Арктике. Наиболее обеспеченные архивы ледового картирования находятся в ААНИИ (Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт), Национальном ледовом центре США и Канадской ледовой службе.

Результаты

Наибольшее количество морского льда в Арктике обычно наблюдается в марте. В это время года лед достигает своего максимума, после чего начинается его таяние в течение весны и лета. Минимальное количество льда фиксируется обычно в сентябре. Исходя из этого, будем анализировать площадь льда за март и сентябрь за период 1990-2024 г. с помощью изображений Sea Ice Today полученные из продукта данных индекса морского льда NOAA@NSIDC, который опирается на разработанные NASA методы и продукты данных NASA с использованием пассивных микроволновых данных от специального датчика микроволнового датчика F-18 (SSMIS) Программы оборонных метеорологических спутников (DMSP). Основой индекса морского льда является набор данных «Ежедневные полярные сеточные концентрации морского льда DMSP SSM/I» и созданные NASA «Концентрации морского льда из пассивных микроволновых данных Nimbus-7 SMMR и DMSP SSM/I».

Пассивные микроволновые наблюдения, используемые для индекса морского льда, особенно полезны, поскольку датчики могут «видеть» сквозь облака и предоставлять данные даже в течение шести месяцев полярной темноты и часто облачных условий. Датчики также могут ежедневно наблюдать за всем регионом земного шара, где существует морской лед.

Рис. 1 Протяженность льда за март

На каждой карте оранжевая линия показывает среднюю кромку льда на текущую дату в период с 1981 по 2010 год. Все области океана, которые закрашены белым цветом и считаются покрытыми льдом в расчетах NSIDC. Основные изменения испытывают: Чукотское и Баренцево море. В начале исследуемого периода средняя протяженность льда за март составляла 15,9 млн кв. км, а в 2024 году 14,9 млн кв. км, что в 1,0 млн кв. км меньше. Для более подробного изучения построим графи суточных изменений протяженности льда за март.

Рис. 2 суточные изменения протяженности льда Арктики за март.

Анализируя график можно проследить тенденция на уменьшение протяженности льда. Самая большая протяженность наблюдалась за 1990 год, а наименьшая за 2015 год. На графике пунктирами показана средняя протяженность льда за период с 1990-2024 год, на данный момент все значения, которые после 2005 года находятся ниже среднего. Можно сделать вывод о том, что в настоящее время идет тенденция на сокращения протяженности льда.

Рис. 3 Протяженность льда за сентябрь

На рис. 3 Показана протяженность льда за период 1990-2024 г. за сентябрь. По карте заметно как с каждым годом полярная шапка становится меньше. Сентябрь самый показательный месяц для определения тенденции протяженности льда в Арктике. В начале исследуемого периода средняя протяженность льда за сентябрь составляла 6,1 млн кв. км, а в 2024 году 4,4 млн кв. км, что в 1,7 млн кв. км меньше. Это даже намного больше, чем изменения за март. Это связано с тем, что с уменьшением количества льда территория все больше поглощает приход солнечного тепла, а не отражает. Построим суточные изменения протяженности льда за сентябрь для наглядного представления информации.

Рис. 4 суточные изменения протяженности льда Арктики за сентябрь.

Анализируя график можно проследить тенденция на уменьшение протяженности льда. Самая большая протяженность наблюдалась за период 1990-2000, а наименьшая за 2020 год. На графике пунктирами показана средняя протяженность льда за период с 1990-2024 год, на данный момент все значения, которые после 2010 года находятся ниже среднего. Можно сделать вывод о том, что в настоящее время идет тенденция на сокращения протяженности льда. За сентябрь такая тенденция начала проявлять на 1 период (5 лет) позже, чем за март.

Табл. 1 Изменения протяженность льда Арктики по периодам

Рассмотрим изменения протяженности льда по периодам в 10 лет. За март и за сентябрь с каждым периодом протяженность льда в Арктике все уменьшается, более ярко процесс выражен в сентябре.
Заключение

Были рассмотрены методы изучения льда. На основе полученных данных проанализирована протяженность арктического льда за период с 1990 по 2024 год.

Уменьшение протяженности льда в Арктике связано с увеличением средних температур, что приводит к более раннему таянию весной и более позднему замерзанию осенью. К этому также добавляются изменения в атмосферной циркуляции и воздействие атмосферных явлений. Это значительно влияет не только на сам лед, но и на экосистемы, зависящие от арктического льда, а также на уровень моря.

Важно изучить долгосрочные последствия изменения арктического льда для глобальных климатических систем, а также оценивать влияние потери льда на арктические экосистемы и местные сообщества. Разработка более эффективных моделей прогноза изменения льда, комбинируя данные с разных источников и применяя современные вычислительные методы, также является ключевым направлением для будущих исследований. Эти усилия помогут нам лучше понять динамику арктической среды и выработать стратегии адаптации и смягчения последствий изменения климата.

Литература
1. Репина И.А., Иванов В.В. Применение методов дистанционного зондирования в исследовании динамики ледового покрова и современной климатической изменчивости Арктики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - №5. - С. 89-103.
2. Алексеев Г.В. Исследования изменений климата Арктики в ХХ столетии // Тр. ААНИИ. 2003. T. 446. C. 6-21.
3. Бушуев А.В. Сбор, обработка и анализ данных по льду // Морской лед: Справочное пособие. СПб.: Гидрометеоиздат. 1997. С. 317-386.

4. National Snow and Ice Data Center // URL: https://nsidc.org/home (дата обращения: 01.12.2024).