Топография поверхности океана или топография морской поверхности , также называемая динамической топографией океана , представляет собой возвышенности и впадины на поверхности океана, похожие на холмы и долины поверхности суши Земли, изображенные на топографической карте . Эти изменения выражаются в терминах средней высоты морской поверхности (SSH) относительно геоида Земли . [1] Основная цель измерения топографии поверхности океана — понять крупномасштабную циркуляцию океана .
Неусредненная или мгновенная высота морской поверхности (SSH) наиболее очевидно зависит от приливных сил Луны и сезонного цикла Солнца, действующего на Землю . В масштабах времени, превышающих год, закономерности в SSH могут зависеть от циркуляции океана. Обычно аномалии SSH , возникающие в результате этих сил, отличаются от среднего значения менее чем на ±1 м (3 фута) в глобальном масштабе. [2] [3] Другие влияния включают изменение межгодовых закономерностей температуры, солености, волн, приливов и ветров. Топографию поверхности океана можно измерить с высокой точностью и достоверностью в региональном и глобальном масштабах с помощью спутниковой альтиметрии (например, TOPEX/Poseidon ).
Более медленные и большие изменения происходят из-за изменений в гравитационном поле Земли ( геоиде ) из-за таяния льда, перераспределения континентов, образования подводных гор и другого перераспределения горных пород. Сочетание спутниковой гравиметрии (например, GRACE и GRACE-FO ) с альтиметрией может быть использовано для определения повышения уровня моря и таких свойств, как содержание тепла в океане . [4] [5]
Топография поверхности океана используется для картирования океанских течений , которые движутся вокруг «холмов» и «долин» океана предсказуемым образом. Направление вращения по часовой стрелке обнаружено вокруг «холмов» в северном полушарии и «долин» в южном полушарии. Это происходит из-за эффекта Кориолиса . И наоборот, направление вращения против часовой стрелки обнаружено вокруг «долин» в северном полушарии и «холмов» в южном полушарии. [6]
Топография поверхности океана также используется для понимания того, как океан переносит тепло по всему земному шару, что является критическим компонентом климата Земли , и для мониторинга изменений глобального уровня моря . Сбор данных полезен для долгосрочной информации об океане и его течениях. Согласно научным данным НАСА, эти данные также могут быть использованы для обеспечения понимания погоды, климата, навигации, управления рыболовством и морских операций. Наблюдения, сделанные над данными, используются для изучения приливов, циркуляции и количества тепла, содержащегося в океане. Эти наблюдения могут помочь предсказать краткосрочные и долгосрочные эффекты погоды и климата Земли с течением времени.
Высота морской поверхности (SSH) рассчитывается с помощью спутников альтиметрии, использующих в качестве опорной поверхности эллипсоид , [ 7] который определяет расстояние от спутника до целевой поверхности путем измерения времени прохождения радиолокационного импульса от спутника до поверхности туда и обратно. [8] [9] Затем спутники измеряют расстояние между высотой своей орбиты и поверхностью воды. Из-за разной глубины океана делается приближение. Это позволяет получать данные точно из-за однородного уровня поверхности. Затем высота спутника должна быть рассчитана относительно опорного эллипсоида. Она рассчитывается с использованием орбитальных параметров спутника и различных инструментов позиционирования. Однако эллипсоид не является эквипотенциальной поверхностью гравитационного поля Земли, поэтому измерения должны быть привязаны к поверхности, которая представляет поток воды, в данном случае геоиду. Преобразования между геометрическими высотами (эллипсоид) и ортометрическими высотами (геоид) выполняются из геоидальной модели. Высота морской поверхности тогда представляет собой разницу между высотой спутника относительно референц-эллипсоида и диапазоном альтиметра. Спутник посылает микроволновые импульсы на поверхность океана. Время прохождения импульсов, восходящих к поверхности океана и обратно, дает данные о высоте морской поверхности. На изображении ниже вы можете увидеть систему измерения, используемую спутником Jason-1 . [10]
В настоящее время существует девять различных спутников, вычисляющих топографию земного океана: Cryosat-2 , SARAL , Jason-3 , Sentinel-3A и Sentinel-3B , CFOSat, HY-2B и HY-2C , а также Sentinel-6 Michael Freilich (также называемый Jason-CS A). Jason-3 и Sentinel-6 Michael Freilich в настоящее время оба находятся в космосе на орбите Земли в тандемном вращении. Они находятся на расстоянии примерно 330 километров друг от друга.
Топографию поверхности океана можно получить из судовых измерений температуры и солености на глубине. Однако с 1992 года серия миссий спутниковой альтиметрии , начавшаяся с TOPEX/Poseidon и продолженная Jason-1 , Ocean Surface Topography Mission на спутнике Jason-2, Jason - 3 и теперь Sentinel-6 Michael Freilich, измеряли высоту поверхности моря напрямую. Объединяя эти измерения с измерениями силы тяжести, полученными в ходе миссий NASA Grace и ESA GOCE, ученые могут определять топографию поверхности моря с точностью до нескольких сантиметров.
Jason-1 был запущен ракетой Boeing Delta II в Калифорнии в 2001 году и продолжил измерения, первоначально собранные спутником TOPEX/Poseidon , который находился на орбите с 1992 по 2006 год. [11] NASA и CNES , французское космическое агентство, являются совместными партнерами в этой миссии.
Главные цели спутников Jason — сбор данных о средней циркуляции океана по всему миру, чтобы лучше понять ее взаимодействие с изменяющимися во времени компонентами и задействованными механизмами для инициализации моделей океана. Для мониторинга низкочастотной изменчивости океана и наблюдения за сезонными циклами и межгодовыми колебаниями, такими как Эль-Ниньо и Ла-Нинья , североатлантическое колебание , тихоокеанское десятилетнее колебание и планетарные волны, пересекающие океаны в течение нескольких месяцев, затем они будут моделироваться в течение длительного периода времени благодаря точным альтиметрическим наблюдениям. [11] Он направлен на внесение вклада в наблюдения за мезомасштабной изменчивостью океана, влияющей на все океаны. Эта деятельность особенно интенсивна вблизи западных пограничных течений. Также отслеживайте средний уровень моря , поскольку он является большим индикатором глобального потепления через данные об уровне моря . Улучшение моделирования приливов путем наблюдения за более долгопериодными компонентами, такими как прибрежные взаимодействия, внутренние волны и диссипация приливной энергии. Наконец, спутниковые данные предоставят знания для поддержки других видов морской метеорологии , которая представляет собой научное изучение атмосферы.
Jason-2 был запущен 20 июня 2008 года ракетой-носителем Delta-2 с калифорнийской площадки в Ванденберге и завершил свою миссию 10 октября 2019 года. Jason-3 был запущен 16 января 2016 года ракетой-носителем Falcon-9 SpaceX с космодрома Ванденберг, как и Sentinel-6 Michael Freilich, запущенный 21 ноября 2020 года.
Долгосрочные цели серии спутников Jason — предоставить глобальные описания сезонных и годовых изменений циркуляции и накопления тепла в океане. [12] Это включает в себя изучение краткосрочных климатических изменений, таких как Эль-Ниньо , Ла-Нинья . Спутники определяют средний уровень мирового моря и регистрируют колебания. Также обнаруживают медленное изменение циркуляции верхнего слоя океана в десятилетних временных масштабах, каждые десять лет. Изучают перенос тепла и углерода в океане и исследуют основные компоненты, которые питают глубоководные приливы. Сбор данных со спутников также помогает улучшить измерения скорости и высоты ветра в настоящее время и для долгосрочных исследований. Наконец, улучшают наши знания о морском геоиде . [12] Первые семь месяцев, когда Jason-2 был введен в эксплуатацию, он летал в непосредственной близости от Jason-1 . Находясь всего в одной минуте друг от друга, спутники наблюдали за одной и той же областью океана. Причиной близкого расположения при наблюдении была перекрестная калибровка. Это было сделано для расчета любого смещения в двух высотомерах. Это многомесячное наблюдение доказало, что в данных не было никакой предвзятости, и оба набора данных были последовательными. [12]
Новая спутниковая миссия под названием Surface Water Ocean Topography Mission была предложена для проведения первого глобального обзора топографии всех поверхностных вод Земли — океана, озер и рек. Это исследование направлено на обеспечение всеобъемлющего обзора пресноводных водоемов Земли из космоса и более детальных измерений поверхности океана, чем когда-либо прежде. [13]