Приносът на ФДМ и ГИС за изучаването на глобалното затопляне

Доц. д-р инж. Нели Димитрова Здравчева, УАСГ*

Увод

Глобалното затопляне (ГЗ) отдавна не е само научна хипотеза, а е реален факт с потресаващи последици – съвременните екологичните проблеми са много, а тяхното решаване е жизненоважно и неотложно. Научните изследвания показват, че океаните понасят върху себе си много голяма част от негативните последствия на глобалното затопляне. Изчезването на коралите и намаляването на популацията на рибата категорично показват, че ситуацията вече достига опасна и повратна точка [4]. Най-новите модели прогнозират, че към 2050 г. заради затоплянето почти всички рифове в света ще се обезцветят [6]. Световният океан може да се сравни с пациент с висока температура. За нейното намаляване трябва спешно да се понижат емисиите на въглероден диоксид, което никак не е лесно. Човечеството вече изпитва преките последици от глобалното затопляне. Така например, според доклада на Международния съюз за защита на природата (IUCN), екстремните метеорологични явления, като ураганите например, напоследък се появяват много по-често. Хората, живеещи близо до океаните вече са подложени на повишен риск от заболявания, тъй като в по-топлите води причинителите на болести се разпространяват по-бързо (например холерата). Тези тревожни факти са само малка част от горчивата истина за катастрофалните последици от глобалното затопляне. Един от основните фактори за успешното му изучаването и за своевременното му ограничаване за осъществяването на екологично и устойчиво развитие на нашето общество, който има предимно технически аспект, е свързан с осигуряването на информация за реалното състояние на околната среда. Фотограметричните и дистанционни методи (ФДМ) са в състояние да осигурят тази информация, тъй като основната им задача в областта на тематичната обработка на данните е именно дистанционното определяне на различните характеристики на природните и антропогенни обекти от земната повърхност.

Теоретични основи на дистанционното изучаването на глобалното затопляне

При пасивните методи за дистанционни изследвания в оптическия диапазон източници на електромагнитна енергия се явяват нагретите до достатъчно висока температура твърди, течни и газообразни тела. Съгласно известният първи закон на Кирхоф при термодинамично равновесие с обкръжаващата среда всички тела с еднаква температура Т имат и еднакво излъчване. А според втория закон на Кирхоф в състояние на термодинамично равновесие погълнатата енергия от даден участък от повърхността за една секунда е равна на енергията, излъчена от същия участък от повърхността за същия промеждутък от време. В съответствие със закона ма Ламберт, интензивността на излъчване I в зададено направление, сключващо ъгъл α с нормалната към излъчващата повърхност на абсолютно черно тяло, се определя по формулата [2]:

I = I₀cos α                                                      (1)

С I₀ е означена интензивността на излъчване при ъгъл α = 0. Излъчваната енергия е максимална при стойност на α = 90°, а по допирателната към повърхността на Земята интензивността на излъчване е равна на нула. На фиг. 1 графично е представен закона на Ламберт за дифузно разсейване на слънчевата светлина.

                                          фиг. 1                                                 Фиг. 2

Плътността на потока на енергийната мощност, излъчена в състояние на термодинамично равновесие от единица повърхност от абсолютно черно тяло с температура T в интервал за дължината на вълната от λ до λ + dλ в пространствен ъгъл с големина 2π стерадиана се изчислява по формулата на Планк [2]:              

  (2)

Където с₁ = 1,1911.108 Втмкм⁴/(м²ср); c₂ = 14 388 мкмК. Максимумът на излъчване се получава за стойност на λ = 2 898/T мкм. Пълната енергия в целия диапазон от дължини на вълната се изразява чрез формулата на Стефан–Болцман [2]:

 (3)

При наблюдение на Земята от Космоса в диапазона с дължина на вълната λ по-къса от 2−3 мкм се регистрира енергията на Слънцето, която е отразена и разсеяна от повърхността на сушата, водните площи и облаците. Температурата на повърхността на Слънцето (фотосферата) е равна на 5 785 К, а максимумът на излъчване е при λ = 0,5 мкм. На фиг. 2 може да се види разпределението на енергията в спектъра на Слънцето, съгласно формулата на Планк. По хоризонталната ос е нанесена дължината на вълната λ в мкм, а по вертикалната ос – плътността на енергийния поток в относителни единици.

Озонът, който се съдържа в атмосферата в неголямо количество, много силно поглъща ултравиолетовото излъчване с дължина на вълната λ по-къса от 0,3 мкм. Тъй като при наблюдение на Слънцето от повърхността на Земята отсъства късовълновият наклон от кривата B (λ,T) (този който е защрихован на фиг.2), в останалата част реалният спектър на Слънцето се различава много малко от показания на фиг.2. Както е известно, именно озонът защитава животинския и растителния свят на Земята от опасното въздействие на ултравиолетовото излъчване на Космоса. Поради своето физиологичното устройство човешките очи могат да възприемат само светлината от диапазона с дължина на вълната λ от 0,38 до 0,76 мкм. (затова този диапазон се нарича видим). А при λ = 0,5 мкм се, както се вижда на фиг. 2, се намира максимумът на чувствителността на човешкото зрение. При дължина на вълната λ по-голяма от 4 мкм собственото топлинно излъчване на Земята превъзхожда излъчването на Слънцето. Чрез регистриране на интензивността на топлинното излъчване на Земята от Космоса, може достатъчно точно да се определи температурата на сушата и на водната повърхност. А именно тя се явява една от най-важните екологични характеристики на планетата ни. Посредством измерването на температурата на най-високата граница на облачността (ВГО), може да се определи нейната височина. За целта се взема в предвид факта, че в тропосферата с нарастването на височината температурата се понижава средно с 6,5°/км. Най-високата граница на облачността е важна характеристика и представлява изключително голям интерес за метеорологията и авиацията. При спътниковата регистрацията на топлинното излъчване във ФДМ се използва диапазона с дължина на вълната λ от10 до 14 мкм, в който поглъщането в атмосферата не е голямо. При температура на земната повърхност (или облаците), равна на минус 50 °С, максимумът на излъчване съгласно формула (2) се явява при λ =12 мкм, а при 50 °С – съответно при λ = 9 мкм. Ако с помощта на датчик, монтиран на спътник, е измерена стойността на плътността на потока на енергийната мощност B = B (λ,Т) от някакъв обект, то въз основа на формула (2) може да се изчисли температурата Т чрез израза [2]:

T = λ/c₂ ln (c₁/λ⁵B + 1)           (4)

Така определената (чрез интензивността В на топлинното излъчване) температура Тр е прието да се нарича радиационна в отличие от термодинамичната температура Ттд, която се характеризира с интензивността на топлинното движение на молекулите на съответното вещество и се измерва с контактен термометър. Както е известно от физиката, за абсолютно черно тяло тези две температури съвпадат. За реалните тела обаче те не съвпадат, тъй като за тях стойността на В представлява някаква част ε от плътността на потока на енергийната мощност, излъчвана от абсолютно черно тяло при същата температура. Връзката между тези две температури се изразява с формулата [2]:

Т_р= εТ_тд                                                (5)

Коефициент ε, който участва в горната формула се нарича коефициент на топлинното излъчване. Стойността на коефициентът εе най-близка до 1за топлинното излъчване на водата (ε = 0,98-0,99) в топлинния инфрачервен диапазон, а за облаците ε е приблизително равен на 1. За сухоземните обекти стойността на ε се обуславя от характерните особености на конкретната изследвана повърхност (дали тя е гладка или не, дали е овлажнена или не и т. н.). Така например, за пресния сняг ε = 0,986, за гъста треваε = 0,970, за глинестата почва ε =0,980 и т. н. За определянето на температурата на различни повърхности от Космоса с достатъчна точност ( т. е. с грешка не по-голяма от 0,2−0,5 К) е необходимо да се отчита и коефициентът на топлинно излъчване и поглъщане на атмосферата.

Накратко за използваните изображения и сензори при дистанционното изследване на глобалното затопляне

Сензорите, използвани за дистанционно изследване на Земята са два основни типа – пасивни и активни (фиг. 3). Казано съвсем накратко, пасивните датчици регистрират излъчените или отразените естествени излъчвания, докато активните сензори сами излъчват необходимите сигнали и регистрират техните отражения от изследваните обекти. В групата на пасивните датчици попадат оптическите и сканиращи устройства, работещи в диапазона на отразеното слънчево излъчване, включващо ултравиолетовия, видимия и близкия инфрачервен диапазон от спектъра. А към групата на активните датчици се отнасят радарните устройства, сканиращите лазери, микровълновите радиометри и много други.

                                                                  Фиг. 3

При дистанционното изследване на сухоземни обекти в оптическия диапазон се използват предимно червения участък на видимия диапазон и инфрачервения диапазон, тъй като те са най-информативни. На фиг. 4графически е онагледен електромагнитния спектър и е увеличен неговия оптически диапазон, който от своя страна съдържа: инфрачервения участък (IR), обхващащ близкия инфрачервен диапазон, средния инфрачервен диапазон и топлинния инфрачервен диапазон; видимия участък, включващ синята зона (B), зелената зона (G), червената зона (R) и т. н. и ултравиолетовия (UV) участък на спектъра:

Фиг. 4

Многобройни са съвременните сензори, които регистрират сателитни изображения. Те могат да се класифицират в следните основни групи: Оптични датчици със средна и ниска резолюция; Оптични сензори с много висока резолюция; Панхроматични и многоспектърни оптични датчици с висока и средна резолюция; Лазерни скенери; Радарно-алтиметърни системи с висока точност; Радиометри за определяне на температурата над сухоземните територии и над океаните; Спектрометърни измервания, осигуряващи данни за качеството на въздуха; Радарни сензори SAR (Synthetic Aperture Radar), работещи независимо от атмосферните условия п през нощта и т. н.

В [1] авторът разглежда по-подробно качествата и особеностите на различните сензори и изображения, както и ролята на програмата „Коперник“ („CopernicusEarth“) на Европейската комисия за наблюдение на Земята, известна по-рано като ГМОСС (Глобален мониторинг на околната среда и сигурността).Тя има амбициозната задача да интегрира за първи път в Европа огромни количества информация, получена чрез фотограметричните и дистанционни методи от множество сателити, въздушни, наземни и морски системи за получаване на пространствени данни и изграждането на информационни системи с оглед постигането на глобален мониторинг на Земята и е една от програмите в рамките на стратегията „Европа 2020“ за интелигентен, устойчив и приобщаващ растеж [3].

На фиг. 5 е показна принципна схема на организацията на основните технологични процеси при обработката на данните, получени от дистанционното изследване на Земята.

Фиг. 5

Ролята и предимствата на симбиозата ФДМ и ГИС за изследване на глобалното затопляне

Информацията, извлечена от отделни изображения при дистанционните изследвания, макар че сама по себе си е много богата и ценна, се отнася само за конкретен момент. За ефективното изучаване на ГЗ, понастоящем не се задоволяваме с използването на отделни изображения, карти, схеми, а се нуждаем от множество взаимосвързани, допълващи и комбиниращи се бази от данни, които да могат своевременно да се актуализират. В тази връзка методите и средата за съхранение, обработване, интегриране и съпоставяне на данните за различните компоненти на околната среда (състоянието на климатичните фактори, качеството на въздуха, разпределението на озона, състоянието на водните площи, ледниците, растителната покривка и т.н.) са от изключителна важност. На сегашния етап идеалната среда и най-доброто съвременно средство за постигането на тези цели се явяват ГИС (фиг. 6). Според своя териториален обхват, те могат да бъдат глобални, национални, регионални и с местно предназначение. Една съвременна ГИС за изучаване на глобалното затопляне и за мониторинг на околната среда е необходимо да включва следните основни модули:

• Блок за събиране на информацията за отделните компоненти на околната среда;
• Блок за обработка, сортиране, запаметяване и съхранение на информацията;
• Блок за моделиране и откриване на взаимоотношенията между явленията и процесите;
• Блок за оценка на текущото състояние на околната среда;
• Блок за прогнозни оценки (краткосрочни и дългосрочни), за откриване на тенденциите, за създаване на модели за ГЗ и за състоянието на околната среда;
• Блок за извършване на специална обработка и доставка на конкретни данни (по заявка на различни потребители в това число научни, политически, екологични и други организации).

Основното предимство на ГИС е, че те позволяват да се прави проследяване на измененията и по този начин предоставят възможност за успешно изучаване на динамиката и тенденциите в ГЗ. От съвместяването на данните от различните слоеве на ГИС за околната среда може да бъде акумулирана, създавана, синтезирана и извличана принципно нова информация. Освен това могат да бъдат откривани скрити взаимовръзки и се получават нови зависимости -например между изсичането на гори и неблагоприятните климатични и екологични изменения. Ето защо ГИС са безценни не само за изготвянето на различни тематични карти, свързани с глобалното затопляне (на фиг. 7 може да се види глобална карта на емисиите на въглероден диоксид), но и за научни и приложни изследвания, свързани с изготвянето на обективни оценка и експертизи и създаването на настоящи и прогнозни модели за влиянието на различните фактори (в това число и антропогенните) върху състоянието на околната среда. В тях е заложена безценна потенциална способност за генерирането на нова информация и дават възможност за откриване на нови взаимовръзки, зависимости, корелации и закономерности между несвързани на пръв поглед явления в околната среда и данни за тях. Съвременните ФДМ са в състояние да обезпечат основните данни за ГИС на околната среда въз основа на информацията, доставяна от различни сателитни, въздушни, наземни и подводни сензори.

Фиг. 6                                                         Фиг. 7

На този етап от развитието на науката и техниката ФДМ и ГИС са безалтернативни и оптималните средства за осигуряване на актуални и оперативни сведения за реалното състояние на различните компоненти на околната среда, които са свързани с глобалното затопляне. Освен това, те предоставят информацията в удобен графичен и цифров вид, която се визуализира пространствено и лесно може да се използва от различни специалисти. Сенека казва „Информацията има значение и дава власт, само когато е споделена и подходящо разпространена. Информацията сама по себе си няма стойност.” Това показва ролята и предимствата на симбиозата между ФДМ и ГИС за изучаването на глобалното затопляне.

Задачи, свързани с изследването на глобалното затопляне, които се решават чрез ФДМ

ФДМ осигуряват бързото доставяне на напълно обективна, геометрично вярна, естествено генерализирана, икономически изгодна, повсеместна, достъпна и надеждна геопространствена информация за земната повърхност и околната среда. Тъй като те са и високотехнологични, високопроизводителни и динамично развиващи, понастоящем са и незаменими за доставянето на информация и за успешното решаване на широк диапазон задачи, свързани с изучаването на глобалното затопляне. Сред тях основните са:

• Мониторинг на факторите, определящи времето (температурни изменения, облачност, въздушни течения, атмосферно налягане и т. н.) и изготвяне на различни предварителни прогнози за времето (краткосрочни и дългосрочни);
• Мониторинг на ледената покривка на земното кълбо (различните ледени образования в северните и антарктическите морета, в големите езера и водохранилища) със следните цели – изследване на глобалното затопляне и за обезпечаване на необходимата информация за ефективно и безопасно осъществяване на морския транспорт. На фиг. 8 е онагледен мониторинга на ледената обстановка и може да се проследят измененията на акваторията (водната площ) на Северно Каспийско море;

Фиг. 8

• Мониторинг на снежната покривка и осъществяване на контрол на снеготопенето с оглед проследяване на климатичните изменения и за навременни реакции при евентуални наводнения, за изучаване на влагосъдържанието на почвата, както и на условията за зимен сън на различни растения. На фиг. 9 може да се проследи сезонната динамика на снежната покривка на територията на Голям Кавказ. На последната част от същата фигура е показана карта на разпределението на максималната (площта в син цвят и означена с 1) и минималната (територията в жълт цвят и означена с 2) снежна покривка.

Фиг. 9

• Мониторинг на различни бедствия и последиците от тях – урагани, тайфуни, бури, вихрушки, прашни бури, цунами, кални реки, лавини, бури, големи емисии на замърсяващи вещества, крупни военни, промишлени, транспортни и други аварии, – определяне на пожароопасните периоди и т. н. На фиг. 10например, ясно се откроява аерозолният облак, формиран над Япония в резултат на горски пожари в региона Иркутск и Бурятия през май 2003 г.

Фиг. 10                                                         Фиг. 11

• Осъществяване на надежден екологичен мониторинг, включващ контрол на газовия състав на атмосферата, на аерозолното замърсяване на въздуха, на опустиняването и ерозията на почвата, на състоянието на растителността, нефтените и други замърсявания на океани, моретата и вътрешноконтинентални водни басейни. Така например, на фиг. 11 е локализиран разлив на нефтопродукти в морска акватория въз основа на данни от радиолокационна спътникова снимка.

Показателни данни за глобалното затопляне, получени чрез ФДМ

По-долу са разгледани някои тревожнифакти, получени въз основа на дистанционните изследвания с помощта на метеорологични спътници. В [6] са анализирани данни за ГЗ за периода от началото на индустриалната епоха до октомври 2015 г., когато е отчетено първото глобално затопляне с 1,0°C. Повече от шокиращ е фактът, че само за последните пет месеца на изследвания период повишаването на температурата на северното полукълбо възлиза на рекордните 0,4°C и при това то се равнява на затоплянето за период от цели 29 предишни години (от 1981 до 2010 г.) – фиг. 12.

Фиг. 12                      Фиг. 13                                  Фиг. 14

            Месец януари 2016 г. е бил най-топлият в историята през последните 135 години – фиг. 13. По данни на климатолозите от проекта Climate Central той е бил с1,13 градуса повече от средностатистическите показатели и средната температура на планетата четири месеца държи рекорд, като превишава нормата с 0,5–1 градуса [9]. Картите на НАСА, показват, че затоплянето е факт за всички региони на планетата ни, но в Евразия, Северна Америка, Средна Азия, полярните и арктически региони температурите са с 4 до12 градусапо-високи от нормата.

            Температурата в ниските слоеве на атмосферата през месец февруари на 2016г. са достигнали най-високото ниво в историята на метрологичните наблюдения. В [10] с тревога се констатира, че планетата ни е повишила температурата си с повече от 0,83 °С спрямо средната температура за целия период на измерването ѝ (фиг. 13) и се изтъква, че е разработен оригинален метод за анализиране на сателитните данни за изследване на глобалното затопляне.

            Дистанционните изследвания показват, затоплянето вече е предизвикало намаляване на площта на ледовете на Северния полюс като само през януари, ледената шапка е с 1,04 милиона квадратни километра под нормалните стойности[9]. През изминалата зима вместо ледената покривка на Арктика да бъде близо до годишния максимум, тъкмо напротив в повечето от арктическите територии е било толкова топло, че точно през януари площта на ледената покривка на северното полукълбо е достигнала рекордно ниско ниво[7] – фиг. 15 от 1979 г. насам (от началото на спътниковите наблюдения над Арктика).

Фиг. 15

При изучаване на сателитни снимки, направени със спътника НАСА NEO на 27. 08. 2015г. (фиг. 15 и фиг. 16 )[8] е открит гигантски айсберг, откъснат от канадски ледник в провинция Британска Колумбия в района на масива на подводните вулкани Худ. По думите на експерти в тази област, той е най-големия айсберг (с дължина около 20 км), който е виждан някога в страната. От изучените около 200 ледника в този район, всички(с изключение само на един)са намалили предишните си размери. Този факт е ярко свидетелство за ефекта, който оказва глобалното затопляне върху ледниците на планетата ни.

Фиг. 16 Снимка от 25. 08.2015г.                                         Фиг. 17 Снимка от 27. 08.2015

За съжаление тези тревожни факти не са единствените и са само малка част от съвременната мрачна картина, нарисувана от катастрофалните последици на глобалното затопляне.

Заключение

Без съмнение ФДМ осигуряват качествена космическа информация за осъществяването на мониторинг на глобалното затопляне, която е най-ефективно може да се съхранява и обработва в средата на ГИС. Но това съвсем не е достатъчно за решаването на неотложните проблеми, свързани с глобалното затопляне.

Фиг. 18

За да се справи с глобалното затопляне и с останалите екологични проблеми човечеството спешно трябва да се да се откаже от концепцията за финансови богатства и власт на всяка цена и за сметка на екологичното равновесие. Необходима е интеграция и интердисциплинарно сътрудничество(фиг.16 ), обхващащо широк кръг от научни, правителствени, обществени и други органи и организации, за да се съхрани животът на нашата синя планета Земя, която ни дарява въздух, вода, храна и живот и е нашият единствен дом. Политиката, богатствата, науката, технологиите и всичко останало в нашия живот не биха имали никакъв смисъл, ако противостоят на тази висша общочовешка и планетарна и цел.

Литература:

1. Здравчева, Н. Д., Фотограметрични и дистанционни методи за получаване на информация при природни бедствия и катастрофи – Международен симпозиум “Съвременните технологии, образованието и професионалната практика в геодезията и свързаните с нея области”, София, 06 – 07 ноември 2014 г.

2. Кашкин,В. Б.- Цифровая обработка аэрокосмических изображений, ИПК СФУ, Красноярск 2008

3. https://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Contributing_Missions_overview

4. https://www.gismeteo.ru/news/label/3742/

5. https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/20788-okeany-stradayut-ot-globalnogo-potepleniya-silnee-vsego/

6. https://www.gismeteo.ru/news/klimat/18223-fevral-2016-pobil-globalnyy-teplovoy-rekord/

7. https://www.gismeteo.ru/news/klimat/18052-v-yanvare-ploschad-arkticheskogo-lda-dostigla-rekordno-nizkogo-znacheniya/

8. https://www.gismeteo.ru/news/klimat/21274-ot-kanadskogo-lednika-otkololsya-gigantskiy-aysberg/

9. https://www.gismeteo.ru/news/klimat/17997-yanvar-2016-goda-stal-samym-teplym-za-135-let/ рекорд 1.2016

10. https://www.gismeteo.ru/news/klimat/

* Докладът е представен на XXVI Международен симпозиум „СЪВРЕМЕННИТЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОБРАЗОВАНИЕТО И ПРОФЕСИОНАЛНАТА ПРАКТИКА В ГЕОДЕЗИЯТА И СВЪРЗАНИТЕ С НЕЯ ОБЛАСТИ”, през ноември 2016 г. в София.