Оптические свойства морского льда

В настоящее время внимание научной общественности привлекает процесс ускоряющегося таяния ледяной шапки в Арктике. Трудно в полной мере оценить и прогнозировать последствия этого процесса. Поэтому мониторинг состояния арктического льда является одной из приоритетных задач для понимания глобальных изменений климата, так же как и для ожидающегося развития навигации в северно-ледовитом океане, нефтяной индустрии, охраны исчезающих биологических видов, обитающих в Арктике. Особый интерес к оптике льда обусловлен тем, что только спутниковые измерения отражения солнечного света от поверхности льда обеспечивают регулярное (несколько раз в сутки, с полным пространственным покрытием региона) получение актуальной информации о состоянии морского льда в таких трудно доступных районах, как Арктика.
До настоящего времени алгоритмы обработки данных спутниковых измерений основывались на эмпирических данных о значениях альбедо различных типов ледяных поверхностей. При этом не существовало теоретически обоснованной модели оптических свойств морского льда. В настоящей работе морской лёд рассматривается как светорассеивающая среда с характеристиками (показателями ослабления и поглощения, индикатрисой рассеяния), для которых получены аналитические выражения.
Рассматриваются несколько типов льда. Первый – «белый» лёд. Так называют лёд, покрытый сильно рассеивающим слоем, представляющим собой осушённую поверхность: ту часть поверхности, с которой стекла талая вода. Это рыхлый слой, который имеет в толщину несколько сантиметров и представляет собой смесь льда и воздуха, т.е. по структуре аналогичен снегу, но отличается большим характерным размером ледяного зерна (порядка миллиметров) и большей физической плотностью. Для описания подобной среды используется модель однородной стохастической смеси двух компонентов: льда и воздуха. Процесс рассеяния света описывается в рамках приближения геометрической оптики.
Второй тип – сплошной лёд. Рассеяние определяется наличием включений соляного раствора и воздушных пузырей. Для описания рассеяния на включениях раствора используется ВКБ приближение, поскольку показатель преломления соляного раствора близок показателю преломления чистого льда (оптически мягкие частицы). Для описания рассеяния на воздушных пузырях используется решение Ми. Наличие и соотношение включений раствора и пузырей определяет светоотражающие свойства льда. Включения соляного раствора в той или иной степени в морском льду содержатся всегда (в силу солёности морской воды), количество же пузырей может варьироваться в широком диапазоне. При отсутствии (или малом количестве) воздушных пузырей лёд выглядит тёмным и имеет синеватый оттенок («голубой» лёд). При увеличении количества пузырей лёд «светлеет»: его альбедо растёт и становится более нейтральным.
Третий тип – снежница: слой талой воды на поверхности льда. При описании отражения света от снежницы вода считается прозрачной. Рассматривается многократное переотражение между поверхностью воды и дном снежницы, которое представляет собой слой сплошного льда, описанный выше как тип 2.
Спектральное отражение ледовыми полями описывается в рамках асимптотической теории переноса для оптически толстых слоев. Показано хорошее совпадение результатов, полученных в рамках разработанных моделей, с данными измерений, выполненных в ряде Арктических экспедиций.
Таким образом определяются все оптические характеристики арктического льда, которые необходимы в качестве входных данных для расчёта переноса излучения и сигналов на входе спутникового сенсора. Полученные результаты использованы для создания алгоритма обработки данных спутникового мониторинга арктического льда.