ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА ПРИ МАЛЫХ УГЛАХ ПАДЕНИЯ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПОДХОДОВ

Дистанционное зондирование ледового покрова обычно проводят при средних углах падения (20°-60°). Среди орбитальных радиолокаторов, способных решить задачу картографирования ледового покрова, можно выделить скаттерометры и радары с синтезированной апертурой (РСА). Первые обеспечивают измерения в широкой полосе с низким пространственным разрешением, в то время как РСА выполняет измерения с высоким пространственным разрешением в более узкой полосе и дополнительно позволяет определять сплоченность морского льда и тип льда.
Возможность измерения ледяного покрова при малых углах падения (<18°) находится на стадии исследований [1, 2]. Имеются два орбитальных радара, выполняющих измерения при малых углах падения в полосе обзора. Это двухчастотный DPR (Dual-frequency precipitation radar) на спутнике GPM (Ku- и Ka-диапазоны) и скатеррометр SWIM (Surface Waves Investigation and Monitoring) на спутнике CFOSAT (Ku-диапазон).
Основной задачей DPR является измерение пространственного распределения осадков в полосе шириной около 245 км с разрешением около 5 км [3]. Из-за наклона орбиты (65°) измерения охватывают участки со льдом. Исследования показали, что радар способен классифицировать вид рассеивающей поверхности (лед – открытая вода) и оценивать его концентрацию при наличии двух точек, относящихся ко льду и открытой воде [4].
SWIM — первый радар с реальной апертурой, способный измерять спектр морских волн из космоса [5]. Из-за наклона орбиты (97°) Арктика и Антарктида попадают в зону действия радара. Схема измерения использует шесть лучей (0°, 2°, 4°, 6°, 8° и 10°). Луч надира работает как альтиметр, в то время как другие лучи вращаются вокруг вертикальной оси. В результате формируется полоса шириной около 180 км, в которой впервые выполнены измерения под разными азимутальными углами. Недостатком SWIM является низкое пространственное разрешение: 18 х 18 км или 4,5 х 18 км.
Еще одним кандидатом для измерений при малых углах падения является проект SKIM (Sea surface KInematics Multiscale monitoring) [6]. Он еще не реализован, но рассматривается как возможный кандидат на будущую миссию Европейского космического агентства. Схема измерения близка к SWIM, но используются только три угла: надир (высотомер) и два наклонных: 6° и 12° (Ка-диапазон). За счет вращения лучей вокруг вертикальной оси формируется полоса обзора шириной около 280 км с разрешением около 6 км. Основной задачей радиолокатора является измерение глобального поля течений. Наклонение орбиты составляет 98°, поэтому SKIM сможет проводить измерения над Арктикой и Антарктикой.
Для всех трех радаров лед изначально не является предметом исследования. DPR предназначен для изучения атмосферы. Основным объектом исследования для SWIM и SKIM является морская поверхность: скорость ветра, параметры волнения и морские течения. В результате данные SWIM только начинают рассматриваться с точки зрения мониторинга ледового покрова, и первые результаты были представлены на заседании CFOSAT весной 2021 г., например [7] и в 2022 г. вышла первая статья [8].
В данной работе рассматривалась задача мониторинга ледяного покрова при малых углах падения (0°-18°). Были проанализированы два действующих радара DPR и SWIM и один перспективный радар SKIM. Проведено численное моделирование перечисленных радиолокаторов и подтверждено предположение, что эти радиолокаторы могут определять вид подстилающей поверхности (лед-открытая вода) при углах падения менее 12°. Недостатком схемы измерения DPR является то, что при углах падения 1°-3° задача определения подстилающей поверхности не имеет решения. Это связан с тем фактом, что удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) на льду и открытой воде при этих углах падения будут одинаковыми. За счет вращения антенной системы вокруг вертикальной оси эта задача решается в SWIM и SKIM. Однако пространственное разрешение SWIM в несколько раз хуже, чем у DPR.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 20-17-00179).