Топография поверхности океана или топография морской поверхности , также называемая динамической топографией океана , представляет собой возвышения и понижения на поверхности океана, похожие на холмы и долины поверхности суши Земли, изображенные на топографической карте . Эти изменения выражаются через среднюю высоту поверхности моря (SSH) относительно геоида Земли . [1] Основная цель измерения топографии поверхности океана — понять крупномасштабную циркуляцию океана .
На неусредненную или мгновенную высоту поверхности моря (SSH) наиболее очевидно влияют приливные силы Луны и сезонный цикл Солнца, действующий на Землю . В течение периода времени, превышающего год, на закономерности SSH может влиять циркуляция 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 точностью в региональном и глобальном масштабе с помощью спутниковой альтиметрии (например, TOPEX/Poseidon ).
Более медленные и большие изменения происходят из-за изменений гравитационного поля Земли ( геоида ) вследствие таяния льдов, перестановки континентов, образования морских гор и других перераспределений горных пород. Комбинация спутниковой гравиметрии (например, GRACE и GRACE-FO ) с альтиметрией может использоваться для определения повышения уровня моря и таких свойств, как теплосодержание океана . [4] [5]
Топография поверхности океана используется для картирования океанских течений , которые предсказуемым образом движутся вокруг океанских «холмов» и «долин». Направление вращения по часовой стрелке наблюдается вокруг «холмов» в северном полушарии и «долин» в южном полушарии. Это происходит из-за эффекта Кориолиса . И наоборот, вращение против часовой стрелки наблюдается 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 важнейшим компонентом климата Земли , а также для мониторинга изменений глобального уровня моря . Сбор данных полезен для получения долгосрочной информации об океане и его течениях. По данным науки НАСА , эти данные также могут быть использованы для понимания погоды, климата, навигации, управления рыболовством и морских операций. Наблюдения, сделанные на основе данных, используются для изучения океанских приливов, циркуляции и количества тепла, которое содержит океан. Эти наблюдения могут помочь предсказать краткосрочные и долгосрочные последствия погоды и климата Земли с течением времени.
Высота морской поверхности (SSH) рассчитывается с помощью спутников альтиметрии с использованием в качестве эталонной поверхности эллипсоида [ 7] , который определяет расстояние от спутника до целевой поверхности путем измерения времени прохождения радиолокационного импульса от спутника к 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 благодаря равномерному уровню поверхности. Затем необходимо рассчитать высоту спутника относительно опорного эллипсоида. Он рассчитывается с использованием параметров орбиты 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 к геоиду. Преобразования между геометрическими высотами (эллипсоид) и ортометрическими высотами (геоид) выполняются на основе геоидальной модели. Высота морской поверхности в таком случае представляет собой разницу между высотой спутника относительно эталонного эллипсоида и диапазоном высотомера. 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 измерений, используемую спутником Джейсон-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 А). Джейсон-3 и Сентинел-6 Михаэль Фрейлих в настоящее время оба находятся в космосе, вращаясь вокруг Земли в тандемном вращении. Расстояние между ними составляет примерно 330 километров.
Топографию поверхности океана можно получить на основе судовых измерений температуры и солености на глубине. Однако с 1992 года в серии спутниковых альтиметрических миссий, начиная с TOPEX/Poseidon и продолжаясь с помощью Jason-1 , миссии по топографии поверхности океана на спутнике Jason-2, Jason-3, а теперь и Sentinel-6 Michael Freilich, измерялась высота морской поверхности. напрямую. Объединив эти измерения с гравитационными измерениями миссий NASA Grace и ESA GOCE, ученые могут определить топографию морской поверхности с точностью до нескольких сантиметров.
Джейсон-1 был запущен ракетой Boeing Delta II в Калифорнии в 2001 году и продолжал измерения, первоначально собранные спутником TOPEX/Poseidon , который находился на орбите с 1992 по 2006 год . [11] НАСА и французское космическое агентство CNES являются совместными партнерами в эта миссия.
Основная цель спутников Jason — сбор данных о средней циркуляции океана по всему земному шару, чтобы лучше понять ее взаимодействие с изменяющимися во времени компонентами и задействованными механизмами инициализации моделей океана. Чтобы отслеживать низкочастотную изменчивость океана и наблюдать сезонные циклы и межгодовые вариации, такие как Эль-Ниньо и Ла-Нинья , североатлантические колебания , тихоокеанские десятилетние колебания и планетарные волны, пересекающие океаны в течение нескольких месяцев, они будут моделировались в течение длительного периода времени благодаря точным альтиметрическим наблюдениям. [11] Его цель – внести вклад в наблюдения за мезомасштабной изменчивостью океана, влияющей на весь океан. Особенно интенсивна эта деятельность вблизи западных пограничных течений. Также следите за средним уровнем моря , поскольку он является важным индикатором глобального потепления с помощью данных об уровне моря . Улучшение моделирования приливов за счет наблюдения за более долговременными компонентами, такими как взаимодействие берегов, внутренние волны и рассеивание энергии приливов. Наконец, спутниковые данные предоставят знания для поддержки других видов морской метеорологии , то есть научных исследований атмосферы.
Джейсон-2 был запущен 20 июня 2008 года ракетой Дельта-2 с калифорнийской площадки в Ванденберге и завершил свою миссию 10 октября 2019 года. Джейсон-3 был запущен 16 января 2016 года ракетой Falcon-9 SpaceX . ракета из Ванденберга, а также Sentinel-6 Michael Freilich, запущенная 21 ноября 2020 года.
Долгосрочные цели серии спутников Jason — предоставить глобальное описание сезонных и годовых изменений циркуляции и накопления тепла в океане. [12] Сюда входит изучение краткосрочных климатических изменений, таких как Эль-Ниньо , Ла-Нинья . Спутники определяют глобальный средний уровень моря и фиксируют колебания. Также обнаруживается медленное изменение циркуляции верхних слоев океана в десятилетнем масштабе, каждые десять лет. Изучение переноса тепла и углерода в океане и изучение основных компонентов, которые питают глубоководные приливы. Сбор данных со спутников также помогает улучшить измерения скорости и высоты ветра в настоящее время и для долгосрочных исследований. Наконец, улучшаем наши знания о морском геоиде . [12] Первые семь месяцев эксплуатации «Джейсона-2» он летал в непосредственной близости от « Джейсона-1» . Находясь всего в одной минуте друг от друга, спутники наблюдали один и тот же участок океана. Причиной непосредственной близости в наблюдениях была перекрестная калибровка. Это предназначалось для расчета любой погрешности двух высотомеров. Это многомесячное наблюдение доказало, что в данных не было систематической ошибки, и оба набора данных были согласованными. [12]
Была предложена новая спутниковая миссия под названием « Миссия по топографии поверхностных вод и океана» для проведения первого глобального исследования топографии всех поверхностных вод Земли — океана, озер и рек. Целью этого исследования является предоставление всестороннего представления о пресноводных водоемах Земли из космоса и более детальные измерения поверхности океана, чем когда-либо прежде. [13]