(1) Институт космических исследований РАН, Моква, Россия
(2) Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия
(3) ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Фрязино, Россия

Антарктида является самым холодным, самым высоким, самым сухим и самым ветреным континентом на Земле. Поверхностная температура уменьшается от побережья к центру от -15 до -60 градусов Цельсия. Холодный и плотный воздух центральных областей спускается вниз по склонам, вызывая сильные и постоянные ветры. Скорость накопления снега в центральной части Антарктиды менее пяти грамм на квадратный сантиметр ежегодно. В прибрежных районах ежегодная величина снегонакопления - несколько десятков грамм на квадратный сантиметр (Котляков, 2000; Петров, 1975; Vaughan, 1999). Это составляет приблизительно 2,200 гигатонн каждый год или эквивалентно 6 мм глобального повышения уровня моря. Таким образом, незначительные климатические изменения могут привести к существенным изменениям уровня мирового океана. Слои снежного покрова, претерпевая несколько стадий метаморфизма, постепенно превращаются в лед, который очень медленно (за несколько сотен тысяч лет) стекает вниз к побережью. Массовый баланс Антарктиды складывается из снегонакопления и потери льда, преимущественно за счет таяния шельфовых ледников и образования айсбергов. Получение надежной информации о ежегодной величине снегонакопления в различных районах Антарктиды, а также о физических процессах, протекающих в снежно-фирновых слоях поверхности континента (метаморфизм, таяние и т.п.) возможно только с использованием средств дистанционного зондирования (Ferrigno et al., 1998; Kargel, 2000; Williams et al., 1995). Несмотря на большое пространственное разрешение, данные пассивного микроволнового зондирования играют значительную роль в исследовании Антарктиды, так как их результаты не зависят от погодных условий, и они обладают хорошим и регулярным временным разрешением (Das et al., 2002; Shuman, Comiso, 2002).
В настоящее время данные спутниковой микроволновой радиометрии, с использованием соответствующих моделей, применяются для определения температуры поверхности ледника (van der Veen, Jezek, 1993; Shuman et al., 1995; Das et al., 2002); свойств снега и фирна (Shuman et al., 1993; West et al., 1996; Shuman, Comiso 2002); а также для определения поверхностного таяния (Abdalati, Steffen, 1995; Zwally, Fiegles, Mote et al. 1993). Данные пассивного микроволнового зондирования также используются для оценки скорости нарастания ледника, но в настоящее время большинство методов основаны на эмпирических соотношениях между яркостной температурой, размером зерен фирна и скоростью нарастания (Zwally, 1977; Zwally, Giovinetto, 1995; Arthern et al., 2006).
В докладе представлена электродинамическая модель собственного микроволнового излучения системы «ледниковый покров – снежно-фирновые слои – атмосфера» (Tikhonov et al., 2014). Модель адаптирована к реальной снежно-фирновой толще Антарктиды: учтена слоистость и структурные особенности каждого слоя (ледяные корки, плотность, средний размер ледяных гранул, дисперсия их размеров, влажность и т.п.). В модели учтены эффекты рассеяния (рассеяние Ми) микроволнового излучения на ледяных частицах. Сравнение модельных расчетов яркостной температуры различных областей Антарктиды (купол, зона стоковых ветров, прибрежная зона) с данными приборов SSM/I и SSMI/S, с также «Зонд-ПП» (Смирнов, 2016) показало хорошее соответствие. В качестве входных параметров модели (температура воздуха и физико-структурные характеристики слоев) были использованы данные Шведско-Японской экспедиции 2007/2008 годов, проводившейся по обширной территории Земли Королевы Мод (Sugiyama et al., 2010, 2012).
Полученные результаты и их анализ показывают работоспособность предложенной модели микроволнового излучения системы «ледниковый покров – снежно-фирновые слои – атмосфера» и возможность ее использования для расчета яркостной температуры различных областей ледового щита Антарктиды.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-05-00164.

Ключевые слова: Антарктида, снежно-фирновые слои, модель собственного микроволнового излучения, спутниковая микроволновая радиометрия, снегонакопление

Литература:

Котляков В.М. Избранные сочинения. Книга 1. Гляциология Антарктиды. М.: Наука. 2000. 432 с.
Петров В.Н. Атмосферное питание ледникового покрова Антарктиды. Л.: Гидрометеоиздат. 1975. 152 с.
Смирнов М.Т. Анализ метрических характеристик и построение эмпирической модели аппаратурных искажений спутникового СВЧ радиометрического прибора L-диапазона «Зонд-ПП» для калибровки и обработки данных. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 6. С. 273–285.
Abdalati W., Steffen K. Passive microwave-derived snow melt regions on the Greenland ice sheet. // Geophysical Research Letters. 1995. V. 22. № 7. P. 787–790.
Arthern R.J., Winebrenner D.P., Vaughan D.G. Antarctic snow accumulation mapped using polarization of 4.3-cm wavelength microwave emission. // Journal of Geophysical Research. 2006. V. 111. DOI:10.1029/2004JD005667.
Das S.B., Alley R.B., Reusch D.B., Shuman C.A. Temperature variability at Siple Dome, West Antarctica, derived from ECMWF re-analyses, SSM/I and SMMR brightness temperatures and AWS records. // Annals of Glaciology. 2002. V. 34. P. 106–112.
Ferrigno J.G., Williams R.S., Rosanova E., Lucchitta B.K., Swithinbank C. Analysis of coastal change in Marie Byrd Land and Ellsworth Land, West Antarctica, using Landsat imagery. // Annals of Glaciology. 1998. V. 27. P. 33–40.
Kargel J.S. New eyes in the sky measure glaciers and ice sheets. // Eos 81. 2000. (24) 265. P. 270–271.
Mote T.L., Anderson M.R., Kuivinen K.C., Rowe C.M. Passive microwave derived spatial and temporal variations of summer melt on the Greenland ice sheet. // Annals of Glaciology. 1993. V. 17. P. 233–238.
Shuman C.A., Comiso J.C.. In situ and satellite surface temperature records in Antarctica. // Annals of Glaciology. 2002. V. 34. P. 113–120.
Shuman C.A., Alley R.B., Anandakrishnan S. Characterization of a hoardevelopment episode using SSM/I brightness temperatures in the vicinity of the GISP2 site, Greenland. // Annals of Glaciology. 1993. V. 17. P. 183–188.
Shuman C.A., Alley R.B., Anandakrishnan S., Stearns C.R. An empirical technique for estimating near-surface air temperature trends in central Greenland from SSM/I brightness temperatures. // Remote Sensing of Environment. 1995. V. 51. № 2. P. 245–252.
Sugiyama S., Enomoto H., Fujita S., Fukui K., Nakazawa F., Holmlund P., Surdyk S. Dielectric permittivity of snow measured along the route traversed in the Japanese–Swedish Antarctic Expedition 2007/08. // Annals of Glaciology. 2010. V. 51. № 55. P. 9–15.
Sugiyama S., Enomoto H., Fujita S., Fukui K., Nakazawa F., Holmlund P., Surdyk S. Snow density along the route traversed by the Japanese–Swedish Antarctic Expedition 2007/08. // J. of Glaciology. 2012. Vol. 58. № 209. P. 529–539
Tikhonov V.V., Boyarskii D.A., Sharkov E.A., Raev M.D., Repina I.A., Ivanov V.V, Alexeeva T.A., Komarova N.Yu. Microwave model of radiation from the multilayer “ocean-atmosphere” system for remote sensing studies of the polar regions. // Progress In Electromagnetics Research B. 2014. V. 59. P. 123–133.
Van der Veen C.J., Jezek K.C. Seasonal variations in brightness temperature for central Antarctica. // Annals of Glaciology. 1993. V. 17. P. 300–306.
Vaughan D.G., Bamber J.L., Giovinetto M., Russell J., Cooper A.P.R. Reassessment of net surface mass balance in Antarctica. // J. Climate. 1999. № 12. P. 933-946.
West R., Winebrenner D., Tsang L., Rott H. Microwave emission from density-stratified Antarctic firn at 6 cm wavelength. // Journal of Glaciology. 1996. V. 42. P. 63–76.
Williams R.S., Ferrigno J.G., Swithinbank C., Lucchitta B.K., Seekins B.A. Coastal-change and glaciological maps of Antarctica. // Annals of Glaciology. 1995. V. 21. P. 284–290.
Zwally H.J. Microwave emissivity and accumulation rate of polar firn. // Journal of Glaciology. 1977. V. 18. P. 195–215.
Zwally H.J., Fiegles S. Extent and duration of Antarctic surface melt. // Journal of Glaciology. 1994. V. 40. P. 463–476.
Zwally H.J., Giovinetto M.B. Accumulation in Antarctica and Greenland derived from passive-microwave data: A comparison with contoured complications. // Annals of Glaciology. 1995. V. 21. P. 123–130.

Презентация доклада

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

300