Восстановление спектра длинных волн по спутниковым изображениям морской поверхности в зоне солнечного блика

Вариации яркости оптических спутниковых изображений в зоне солнечного блика, как и вариации обратного рассеяния в микроволновом диапазоне, отражают одно и то же явление - изменчивость шероховатости морской поверхности. Это даёт возможность получать ценную информацию о статистических свойствах поверхности океана. Динамические процессы в верхнем слое океана влияют на шероховатость морской поверхности и становятся «видимыми» благодаря модуляциям яркости изображения в блике. Локальные модуляции уклонов поверхности, связанные с длинными поверхностными волнами (зыбь и ветровые волны спектрального пика), также приводят к вариациям яркости спутникового изображения.
Методика использования солнечного блика для извлечения информации о волновых уклонах успешно использовалась при оценке калиброванных спектров поверхностных волн по фотографиям моря с самолета. Для спутниковых снимков этот метод не всегда применим из-за отсутствия двумерного градиента яркости солнечного блика в связи с особенностями механизма формирования изображения (как например, в MERIS, где измерения проводятся только в направлении, перпендикулярном движению спутника). Конфигурация многоканальных детекторов спутника Sentinel-2 позволяет получать оценки градиентов яркости в двух направлениях: в направлении азимута и зенитного угла на спутник. Кроме того, задержка по времени в измерениях различных спектральных каналов в каждой точке, позволяет изучить пространственно-временную изменчивость наблюдаемого поля поверхностных волн. Перечисленные факторы открывают уникальную возможность применения разработанных методов восстановления двумерных волновых спектров не только к фотографиям с самолета, но и к данным Sentinel-2, получаемым регулярно и имеющим высокое пространственное разрешение (до 10 м).
По наблюдаемым модуляциям яркости спутникового изображения рассчитываются двумерные спектры возвышений морской поверхности с помощью передаточной функции, определяемой по сглаженной форме солнечного блика. Временной сдвиг между двумя спектральными каналами Sentinel-2 используется как для устранения 180-градусной неопределенности в направлении спектра, так и для получения дисперсионного соотношения поверхностных волн, которое оказалось близко к предсказанному линейной теорией гравитационных волн на морской поверхности.
Для нескольких изображений Sentinel-2 было проведено сравнение направления спектрального пика, формы однонаправленного (omnidirectional) спектра и величины значимой высоты волн с данными измерений буёв у побережья Тихого и Атлантического океанов. Спектры, полученные по спутниковым снимкам в области блика, находятся в хорошем соответствии с данными натурных измерений.
Представленные результаты могут стать основой для развития исследования волнения океана на планетарных масштабах и получения нового спутникового продукта – спектра поверхностных волн.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 15-17-20020 «Динамика верхнего слоя океана по данным спутниковых радиолокационных и оптических измерений»)