Спутниковая альтиметрия

Спутниковая альтиметрия — это метод дистанционного зондирования Земли, основанный на измерении высоты поверхности (океана, суши, льда) с помощью радиолокационного высотомера, установленного на искусственном спутнике Земли. Основной целью является определение топографии поверхности океана, что позволяет изучать глобальную циркуляцию вод, уровень моря, динамику ледяных покровов и рельеф суши. Метод обеспечивает глобальное покрытие, высокую точность и регулярность измерений, недоступную для наземных или судовых наблюдений.

Принцип работы

Спутниковая альтиметрия основана на измерении времени прохождения радиоимпульса от спутника до поверхности и обратно. Зная скорость распространения радиоволн (скорость света), можно вычислить расстояние (дальность) от спутника до поверхности. Однако для получения высоты поверхности относительно референц-эллипсоида (например, WGS-84) необходимо учитывать множество поправок.

Основные этапы измерения

1. Излучение импульса: Спутниковый радиолокационный высотомер (альтиметр) излучает короткий радиоимпульс в направлении надира (вертикально вниз).
2. Приём отражённого сигнала: Отражённый от поверхности Земли сигнал (эхо) принимается той же антенной. Форма эхо-сигнала зависит от типа поверхности (гладкая вода, шероховатая суша, лёд) и её топографии.
3. Измерение времени задержки: С высокой точностью (до наносекунд) измеряется время между моментом излучения и приёмом отражённого сигнала.
4. Расчёт дальности: Дальность R рассчитывается по формуле: R = c × t / 2, где c — скорость света, t — измеренное время.
5. Внесение поправок: Полученная дальность корректируется на:

• Атмосферные задержки: Влияние тропосферы (сухая и влажная компоненты) и ионосферы, которые замедляют радиосигнал.
• Инструментальные ошибки: Калибровка прибора, временные задержки в электронике.
• Поправка на приливы и отливы: Учёт влияния океанических и земных приливов.
• Поправка на динамическую атмосферу: Влияние атмосферного давления (обратный барометр) и ветра.

1. Определение высоты поверхности: Высота поверхности H относительно референц-эллипсоида вычисляется как разность между высотой орбиты спутника (определяется с помощью GPS/Доплеровской системы) и исправленной дальностью: H = H_орбиты — R_испр.

История развития

Ранние этапы (1960–1970-е годы)

Первые эксперименты по измерению высоты поверхности с помощью радиолокации проводились на самолётах и баллистических ракетах. В 1973 году на спутнике Skylab (США) был установлен первый космический радиолокационный высотомер, который, однако, имел низкую точность (около 1 метра). В 1975 году на советском спутнике «Космос-900» был установлен экспериментальный высотомер «Радуга».

Эра специализированных миссий (1980–1990-е годы)

• Seasat (1978, США): Первая специализированная океанографическая миссия, оснащённая высотомером, скаттерометром и радиолокатором с синтезированной апертурой (SAR). Несмотря на короткий срок работы (около 3 месяцев), Seasat продемонстрировал возможность измерения топографии океана с точностью до 10 см.
• Geosat (1985–1990, США): Первая миссия, предназначенная для военных и гражданских целей. Обеспечила глобальное покрытие океана с точностью около 5 см. Данные Geosat стали основой для первых моделей океанической циркуляции.
• ERS-1 и ERS-2 (1991–2011, Европейское космическое агентство, ЕКА): Серия спутников, которые, помимо высотометрии, несли радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR) и инфракрасный радиометр. Обеспечили долговременный ряд данных о высоте морской поверхности.
• TOPEX/Poseidon (1992–2006, NASA/CNES): Совместная американо-французская миссия, ставшая эталоном для спутниковой альтиметрии. Использовала двухчастотный высотомер (Ku- и C-диапазоны) для коррекции ионосферной задержки и систему точного определения орбиты (DORIS, GPS, лазерная рефлектометрия). Точность измерений достигла 2–3 см. TOPEX/Poseidon заложил основу для понимания явления Эль-Ниньо и глобального повышения уровня моря.

Современный этап (2000-е годы — настоящее время)

• Jason-1, Jason-2, Jason-3 (2001–2019, NASA/CNES/NOAA/EUMETSAT): Продолжение серии TOPEX/Poseidon с улучшенными характеристиками. Обеспечили непрерывный 25-летний ряд наблюдений за уровнем моря.
• Envisat (2002–2012, ЕКА): Крупный спутник с комплексом приборов, включая высотомер RA-2. Обеспечил глобальное покрытие, но с меньшей точностью, чем Jason.
• CryoSat-2 (2010 — настоящее время, ЕКА): Специализированная миссия для изучения ледяных покровов. Использует интерферометрический высотомер SIRAL, который позволяет измерять высоту не только в надире, но и под углом, что критически важно для измерения толщины морского льда и топографии ледников.
• Sentinel-3A и Sentinel-3B (2016 — настоящее время, ЕКА): Спутники программы Copernicus, оснащённые высотомером SRAL (SAR-режим). Обеспечивают высокое разрешение и глобальное покрытие с частотой 2–3 дня.
• SWOT (Surface Water and Ocean Topography, 2022 — настоящее время, NASA/CNES): Инновационная миссия, использующая интерферометрический радиолокатор KaRIn (Ka-band Radar Interferometer), который позволяет измерять высоту поверхности в широкой полосе (120 км), а не только в надире. Это даёт возможность впервые получать глобальные данные о топографии океана с высоким разрешением и о высоте уровня воды в крупных реках и озёрах.

Классификация спутниковых альтиметров

По типу измеряемой поверхности

• Океанографические: Оптимизированы для измерения уровня моря, высоты волн, скорости ветра над океаном. Требуют высокой точности и калибровки.
• Гляциологические: Предназначены для измерения высоты ледяных щитов (Гренландия, Антарктида) и толщины морского льда. Используют специальные алгоритмы обработки эхо-сигналов от шероховатой поверхности льда.
• Топографические: Используются для построения цифровых моделей рельефа суши, особенно в труднодоступных районах (например, в пустынях или тропических лесах). Точность ниже, чем для океана, но покрытие глобальное.

По режиму работы

• Низкочастотный (Low Resolution Mode, LRM): Традиционный режим, при котором импульс излучается в надир. Обеспечивает хорошую точность, но низкое пространственное разрешение (несколько километров).
• Синтезированная апертура (SAR): Режим, при котором используется когерентное накопление отражённых сигналов для повышения разрешения вдоль трассы (до 300 метров). Применяется на спутниках Sentinel-3 и CryoSat-2.
• Интерферометрический (SARIn): Режим, при котором используются две антенны, разнесённые на некоторое расстояние. Позволяет измерять не только дальность, но и угол прихода отражённого сигнала, что даёт возможность определять высоту поверхности в полосе шириной до 120 км (миссия SWOT).

Применение

Океанография

• Глобальная циркуляция океана: Измерение топографии морской поверхности (отклонения от геоида) позволяет рассчитать скорость и направление геострофических течений (Гольфстрим, Куросио, Антарктическое циркумполярное течение).
• Уровень моря: Спутниковая альтиметрия является основным методом мониторинга глобального повышения уровня моря. Данные за 30 лет показывают ускорение этого процесса (около 3,3 мм/год в среднем, с тенденцией к увеличению).
• Волнение и ветер: Высота значительных волн и скорость ветра над океаном могут быть оценены по форме и мощности отражённого эхо-сигнала.
• Изучение климатических явлений: Данные альтиметрии используются для мониторинга и прогнозирования явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья, а также для изучения влияния изменения климата на океан.

Гляциология

• Изменение массы ледяных щитов: Измерение высоты поверхности ледников Гренландии и Антарктиды позволяет оценить их баланс массы (таяние/накопление). CryoSat-2 и Sentinel-3 являются ключевыми миссиями для этой задачи.
• Толщина морского льда: Высота надводной части льда (надводный борт) измеряется альтиметром. Зная плотность льда и воды, можно рассчитать общую толщину льда. Это критически важно для мониторинга арктического морского льда.
• Топография ледников: Создание цифровых моделей рельефа горных ледников и ледяных шапок.

Гидрология

• Уровень воды в реках и озёрах: Миссия SWOT позволяет измерять высоту уровня воды в крупных реках (шириной более 100 м) и озёрах с точностью до 10 см. Это даёт возможность оценивать сток рек, изменения объёма воды в водохранилищах и влияние климата на водные ресурсы.
• Мониторинг наводнений: Данные альтиметрии могут использоваться для оценки масштабов и динамики наводнений в крупных речных бассейнах.

Геодезия и геофизика

• Определение геоида: Геоид — это поверхность равного гравитационного потенциала, совпадающая с уровнем моря в отсутствие течений и приливов. Спутниковая альтиметрия позволяет с высокой точностью определить форму геоида над океаном.
• Гравитационное поле: Аномалии высоты морской поверхности, связанные с вариациями гравитационного поля (например, над подводными горами или желобами), используются для построения карт гравитационного поля Земли.
• Тектоника плит: Данные о топографии океанического дна, полученные из гравитационных аномалий, помогают изучать процессы спрединга (разрастания) океанической коры и субдукции.

Точность и ограничения

Современные спутниковые альтиметры (например, на Jason-3, Sentinel-3) обеспечивают точность измерения высоты морской поверхности на уровне 2–3 см на масштабах 10–20 км. Однако существуют фундаментальные ограничения:

• Пространственное разрешение: Традиционные альтиметры измеряют высоту только в надире, что даёт узкую полосу (около 10 км). Миссия SWOT решает эту проблему, но её разрешение (около 2 км) всё ещё ограничено для мелких объектов.
• Влияние атмосферы: Тропосферная задержка (особенно влажная компонента) трудно поддаётся коррекции в районах с высокой облачностью и осадками.
• Шероховатость поверхности: Над сушей и льдом отражённый сигнал сильно искажается, что снижает точность измерений.
• Приливные и динамические эффекты: Необходимость точного учёта океанических и земных приливов, а также влияния атмосферного давления.
• Калибровка: Требуется регулярная калибровка альтиметров с помощью наземных станций (например, на острове Гаврилов в Чёрном море или на платформе Harvest в США).

Источники

1. Fu, L.-L., & Cazenave, A. (Eds.). (2001). Satellite Altimetry and Earth Sciences: A Handbook of Techniques and Applications. Academic Press.
2. Chelton, D. B., Ries, J. C., Haines, B. J., Fu, L.-L., & Callahan, P. S. (2001). Satellite Altimetry. In Satellite Altimetry and Earth Sciences (pp. 1–131). Academic Press.
3. Wingham, D. J., et al. (2006). CryoSat: A mission to determine the fluctuations in the mass of the Earth’s land and sea ice. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 364(1844), 1623–1642.
4. Le Traon, P. Y., et al. (2015). Use of satellite altimetry for operational oceanography. In Operational Oceanography in the 21st Century (pp. 147–175). Springer.
5. NASA/CNES. (2022). SWOT Mission: Science and Applications. Jet Propulsion Laboratory.
6. ESA. (2016). Sentinel-3: ESA’s Global Land and Ocean Mission for Copernicus. European Space Agency.
7. Cazenave, A., & Llovel, W. (2010). Contemporary sea level rise. Annual Review of Marine Science, 2, 145–173.