Ведущий научный сотрудник Лаборатории оптики океана ИО РАН к.ф-м.н. А.Ю. Иванов рассказал о возможности исследования озера Байкал спутниковыми методами.
В 2014 г. был запущен новый радиолокационный спутник Европейского космического агентства (ESA) - Sentinel-1A, причем съемки, доступные широкому научному сообществу, начались еще в октябре 2014 г. Кроме того, были открыты архивы NOAA-USGS с данными Landsat для свободного пользования. В архивах ESA и USGS было обнаружено большое количество радиолокационных изображений (РЛИ) и оптических снимков, покрывающих оз. Байкал, а на них - уникальные явления, которые неоднократно привлекали внимание исследователей [1-10].
1. Грифоны и нефтепроявления
Нефтепроявления около мыса Горевой Утёс были обнаружены на снимках спектрорадиометра MODIS в 2005 г. На месте обнаружения нефтепроявлений работал ряд экспедиций Лимнологического института СО РАН (ЛИН СО РАН, Иркутск) и Иркутского госуниверситета. В июле-сентябре 2008 г. в ходе погружений на дно оз. Байкал глубоководных обитаемых аппаратов «Мир» ИО РАН был обнаружен и исследован ряд мест на дне, из которых в водную толщу озера естественным образом поступает сырая нефть. По существующим оценкам ежегодно из этого источника поступает до 4 тонн нефти.
Тем не менее, представляет интерес исследование этого явления методами дистанционного зондирования. Анализ пятен, обнаруженных в 1998 и 2005 гг. на РЛИ ERS-2 и Envisat, был проведен в [1], где была выявлена связь естественных проявлений нефти, наблюдаемых на поверхности озера напротив м. Горевой Утёс, с процессами миграции нефтеуглеводородов в осадочном комплексе оз. Байкал. На основе анализа пятен, обнаруженных на разновременных РЛИ, были получены предварительные оценки объемов выбросов нефти (путем измерения площадей пятен, соображений насчет времени их существования на поверхности озера и предположений о толщине пленки) из подводного источника, и по группировке пятен-сликов в географической информационной системе определено его положение. В резуьтате обработка РЛИ в сочетании с геоинформационным подходом позволила установить связь этих пятен с очагом разгрузки нефти на дне Байкальской впадины [1, 2].
В 2015 г. пятна были вновь обнаружены в том же месте на РЛИ Sentinel-1A. На рис.1 показаны фрагменты этих РЛИ, на которых четко детектируются естественные нефтепроявления напротив м. Горевой Утёс. Размер и форма пятен зависит от гидрометеорологических условий во время съемки, в т.ч. от преобладающих течений, а также от «истории» ветра.
2. Ветры Байкала
Хорошо известно разнообразие и особенности местных байкальских ветров, которых насчитывают до тридцати. Этому способствует многообразие прибрежного рельефа в сочетании с общециркуляционными процессами. Господствующие ветры, которые могут достигать штормовой силы 30 м/с и более, это: северо-западный, часто называемый «горной» (и более локальный сарма), северо-восточный (баргузин и верховик/ангара), юго-западный (култук) и юго-восточный (шелонник). Остальные ветры не столь сильны и известны, они имеют в основном термобарическое (бризы, зырянки, мысовики и т.п.) или орографическое происхождение (в результате движения вниз по падям, переотражений от гористых побережий и завихрений за большими скалистыми мысами).
Однако самый свирепый ветер на Байкале - северо-западный или горная, вырывающийся из долин рек западного побережья, таких как Сарма, Рытая, Солнцепадь, Молокан, Куркулы, Горемыка, Иликта, Глубокая Падь, Зундук и др. Холодный арктический воздух, перевалив через Приморский хребет (ср. высоты 500-700 м), устремляется в узкие, резко расширяющиеся к устьям, долины рек, которые фактически образуют природные аэродинамические трубы. Низвергающиеся с высоты хребта массы холодного воздуха канализируются и приобретают огромные скорости и разрушительную силу. Именно с этим ветром связано большинство катастроф; он наносит большой материальный ущерб жителям побережья и особенно опасен для регионального судоходства. Долина р. Сарма - самая «эффективная аэродинамические труба», здесь скорость ветра в порывах может достигать 60 м/с. Иногда холодный воздух, проникая в котловину Байкала, создает штормы не только у устья Сармы, но и у выходов рек южной части: Ангара, Анга, Бугульдейка и Голоустная. Другой известный ветер, попавший даже в популярную песню, баргузин - дующий из долины одноименной реки Баргузин со скоростью до 15-20 м/с. Он возникает за счёт стока холодного воздуха из степей Даурии в период осенне-зимнего охлаждения, имеет характер боры, правда с некоторыми особенностями: он, в отличие от боры, разгоняется над поверхностью озера.
На рис. 2 и 3 показан ряд примеров того, как местные ветры, особенно те, которые дуют поперек озера, отображаются на РЛИ. Это происходит из-за того, что сильный ветер локально видоизменяет интенсивность мелкомасштабного волнения, что приводит к повышенному рассеянию радиоволн и увеличению обратного сигнала. При известном направлении ветра скорость ветра легко может быть восставлена по радиолокационным данным с помощью модели типа CMOD [1]. На рис. 2 хорошо видно, что струи холодного воздуха (горной/сармы) «выскакивают» на озеро с запада/северо-запада и в зависимости от скорости ветра и общей синоптической ситуации могут выглядеть как в виде «языков» или «конусов выноса» (рис. 2а,б,г), так и в виде многочисленных поперечных полос-струй, прокрывающих все озеро (рис. 2в). Баргузин (рис. 3) «вылетает» из долины реки в виде одиночной локальной струи, которая в зависимости от общего переноса направлена поперек озера, подворачивает на север (рис. 3а) или на юг (рис. 3б). Иногда возникают ситуации, когда горная, дующая с северо-запада, сталкивается со струей баргузина в самом центре озера (рис. 3в,г).
3. Кольцевые структуры во льду
Кольцевые структуры в ледовом покрове озера представляют собой одно из уникальных явлений, однако появляются не ежегодно [3-6]. Впервые такое кольцо напротив мыса Крестовский было обнаружено на снимке спутника NOAA, полученном в 1999 г. По данным ежегодных спутниковых наблюдений кольцевые структуры во льду Байкала были обнаружены в 2003 и 2005 гг. В 2008 г. кольца проявились в двух частях озера: в районе м. Крестовский и впервые в районе пос. Турка [6]. В 2009 г. они были обнаружены западнее м. Нижнее Изголовье (п-ов Святой Нос) и в южной части озера [3, 4].
В 2011 г. на снимках спектрорадиометров MODIS было обнаружено уже три кольца - у м. Крестовский, к югу от о. Ольхон и у Нижнего Изголовья. В 2013 г. круги во льду были детектированы в двух районах Среднего Байкала; их удалось увидеть на серии снимков MODIS [5]. К их особенностям можно отнести, во-первых, достаточно позднее появление (в конце апреля - начале мая), что связано с поздним таянием и обильным снежным покровом на льду, а, во-вторых - новое место обнаружения: один из кругов появился в 20 км к западу от места появления в 2009 г. в районе м. Нижнее Изголовье. В 2014 г. круг размером 7,5 х 9,3 км был обнаружен у п-ова Святой Нос в начале апреля на оптических снимках MODIS, a затем с лучшим разрешением - на снимке ИСЗ Landsat-8 (рис. 4); однако он быстро исчез в результате разрушения льда.
Причины и механизм образования кольцевых структур во льду в настоящее время дискутируются. Кураевым [6], Граниным [7, 8], Бордонским и Крыловым [9] и др. был выдвинут ряд гипотез. Среди главных причин рассматриваются: особенности тектоники озера, выбросы метана из осадочной толщи байкальской впадины, поток тепла из воды к нижней кромке льда, вихревая активность в поле течений верхнего слоя озера, нестабильность ледяного покрова, неравномерно покрытого снежным покровом и т.п.
4. Цветение озера
Недавно сотрудники ЛИН СО РАН обнаружили признаки цветения вод озера. Первые изменения в экосистеме озера были замечены еще в 2011 г., когда дно прибрежной зоны стало покрываться нитчатыми водорослями. В настоящее время они буквально заполонили озеро и наблюдаются практически повсеместно, особенно в тех местах, где активно сбрасываются промышленные и сточные воды [10].
По мнению ряда специалистов, серьезным фактором, омрачающим будущее Байкала, является существование на его берегах промышленных предприятий, которые в большинстве своем не имеют современных очистных сооружений и которые долгие годы загрязняли и продолжают загрязнять воды озера. Кроме того, похоже, начинает периодически цвести и толща открытых вод. Снимки MODIS на ИСЗ Terra и Aqua, полученные в оптическом диапазоне в июне 2015 г. дают пищу для размышлений и, в принципе, позволяют ежедневно наблюдать динамику этого процесса из космоса (рис. 5).
Изучение явлений оз. Байкал космическими методами благодаря современным отечественным технологиям ГК «СКАНЭКС» продолжается, ряд уникальных снимков и данных выложен на открытом портале http://projects.scanex.ru/oil_baikal/.
Полезные ссылки
- Ivanov A.Yu. Unique phenomena in Lake Baikal, Russia imaged and studied with SAR and multi-sensor images // Int. J. Remote Sensing, 2012. Vol. 33. No. 23. p. 7579-7598.
- Иванов А.Ю. Нефтепроявления на поверхности озера Байкал // Исслед. Земли из космоса, 2010. № 2. С. 75-87.
- С помощью спутников обнаружены загадочные кольца на Байкале (2009)
- Кольца во льду оз. Байкал продолжают появляться (2013)
- Kouraev A., Shimaraev M., Remy F. et al. Giant rings on ice of the Lake Baikal: A look from space and from beneath / Proceedings of the ESA Living Planet Symposium-2010, 28 June - 2 July 2010, Bergen, Norway (ESA SP-686).
- Гранин Н.Г. Окольцованный Байкал // Наука из первых рук, 2009. № 2. С. 26-27.
- Гранин Н.Г., Козлов В.В., Цветова E.A., Гнатовский Р.Ю. Полевые исследования и некоторые результаты численного моделирования кольцевой структуры оз. Байкал // ДАН, 2015. Т. 461. №. 3. С. 343-347.
- Бордонский Г.С., Крылов С.Д. О природе кольцевых образований на спутниковых снимках ледяного покрова озера Байкал // Исслед. Земли из космоса, 2014. № 4. С. 27-31.
- Водоросли душат Байкал (2015)
