Obtaining Additional Information on the Ice Condition of the NSR Route (on the example of the Dmitry Laptev Strait)

Несмотря на тяжелые условия Арктического побережья России современная технологическая база с каждым годом позволяет проходить все новым судам по трассе Северного морского пути (СМП). Данная трасса – это наикратчайший водный маршрут, связывающий восток и запад РФ, а также стран Европы и юго-восточной Азии

Перемещение судов по СМП, как правило, затруднено в самом начале навигации и ближе к её завершению, так как в данные периоды больше возможностей откола льда от берега, и перехода в дрейфующее состояние в открытых водах. В отличие от льдов, скрепленных с берегом, такие льды опасны тем, что могут появиться внезапно и осложнить или сделать невозможным проход маломерных и не имеющих ледового класса судов. Способом, с помощью которого можно детектировать плавучие льды является дистанционное зондирование земли (ДЗЗ) посредством спутников оптического диапазона и с радаром с синтезируемой апертурой (РСА), которые охватывают своим взором полярные широты. В данной работе проведен анализ снимков подстилающей поверхности спутниками Terra и Sentinel-1.

Трасса СМП протяженная и описать ледовые условия на всем её пути невозможно в рамках одной статьи, поэтому будет рассмотрен только один из участков – пролив Дмитрия Лаптева.

Использованы имеющиеся научные данные, необходимые для иллюстрации способа предоставления дополнительной информации о ледовых условиях, необходимых для уточнения наиболее благоприятного маршрута для судов, как ледокольного класса, так и обычных, требующих ледокольной проводки.

Наиболее опасен откол льда от берега и уход в дрейф в открытые воды. Один из способов с помощью которого можно детектировать плавучие льды – это ДЗЗ посредством спутников оптического диапазона и РСА, которые охватывают своим взором полярные широты. Рассмотрен участок трассы СМП посредством предоставления снимков подстилающей поверхности спутником Terra с модулем Modis и спутник Sentinel-1 с модулем C-SAR. С помощью этих датчиков изучаются изменения на поверхности земли по всему земному шару, создавая и расширяя коллекцию изображений. Модуль Modis отображает ареал снега и льда, вызванный зимними штормами и холодными температурами, а также наблюдает за «зеленой волной», проходящий по континенту после завершения зимнего периода, сигнализирует о стихийных бедствиях, сильных штормах, извержениях вулканов, наводнениях, засухе и лесных пожарах. Модуль С-SAR позволяет собирать данные в любую погоду в независимости от времени суток.

В последние годы, в данной предметной области, в сфере ДЗЗ проведены многие научные исследования по вопросам спутниковой информации для неконтактного изучения поверхности Земли отраженные в работах ряда авторов: Johnny Johannessen (2021), Logepe N (2021), Wang H (2021), Chapron B. (2020), Alex Mouche (2020), Biao Zhang et al (2020), Nicolas Reul et al (2020), Shengren Fan (2020), Chen Z (2019), Byfield Yalborg (2010), O. M. Johannessen (2007)

Проанализируем карту, предлагаемую ААНИИ (Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт) (рис.1), на которой продемонстрированы ледовые условия морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, а в частности пролив Дмитрия Лаптева.

Рисунок 1 - Региональные ледовые карты Евразийской Арктики:

а - море Лаптевых; б - Восточно-Сибирское море

Примечание: по ист. [12]

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.95.1

На карте хорошо видно, что, пролив почти освободился ото льда, присутствуют льды только вдоль южного берега острова Большой Ляховский, сплочённостью 9-10 баллов, а вдоль материкового берега чистая вода. То есть проход судов, не имеющих ледового класса возможен без дополнительной проводки.

Нужно иметь в виду, что данные карты описывают общие ледовые условия морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, и их выпуск производится один раз в месяц. Следовательно, малые неоднородности, присутствующие в проливе могут быть не отображены на карте вследствие их малого масштаба, либо ввиду метеорологических изменений. Для уточнения локальных неоднородностей желательно привлекать различные неконтактные способы исследования поверхности, например, использование данных видимого диапазона, радаров с синтезированной апертурой, метеорологические сводки, многолетние наблюдения и т.п.

Для более детального анализа зоны Арктики следует воспользоваться специальной комбинацией каналов Terra/Modis, которые позволяют проанализировать область с заснеженным и ледовым покровом (см. табл.1).

Такая комбинация каналов используется для отображения снега и льда. Снег и лед воссоздаётся в видимом диапазоне (3 канал), и совершенно не различимы в коротковолновом инфракрасном диапазоне (6 и 7 каналы). Благодаря данной комбинации незамерзшая вода и лед способны хорошо отличаться. Лед будет представлен в розовом и красном цветах потому, что единственный канал видимого диапазона – это 3 (красный) канал. Чем толще лед, тем более близким по цвету к розовому он будет

Рассмотрим и обработаем спутниковые изображения видимого диапазона вблизи даты выхода оперативного обзора ледовой обстановки от ААНИИ (см. рис.2).

Рисунок 2 - Спутниковое (Terra/Modis) изображение пролива Дмитрия Лаптева и положения льдов:

а - в естественных цветах 27.06.2020 г.; б - в комбинации каналов 3-6-7, 27.06.2020 г.; в - в комбинации каналов 3-6-7, 26.06.2020 г

Примечание: по ист. [3].

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.95.3

На изображениях в естественных цветах сложно отделить лед от облаков (рис. 2а), но воспользовавшись специальной комбинацией каналов можно увидеть, что то, что могло показаться нам льдом, на самом деле является облаками (рис. 2б и 2в). На рис. 2а лед сливается с облаками. На рисунке 2в можно проследить их различия: Белый цвет – облака, ярко-красный – снег и толстый лед, красный – тонкий лед, темно-красный – водная поверхность и лед сплоченностью менее 2 баллов, зеленый – суша. Данная цветовая гамма способствует обнаружению отдельных льдин во время незначительной облачности

[5]

.

Полученная информация может быть использована для навигации судов имеющих повышенную проходимость. Ледокол, перемещаясь по участку трассы СМП, подбирает наиболее благоприятный курс во льдах и сэкономит топливо, не преодолевая мощные льды. Например, перемещаясь в пространстве чистой воды (разводья и полыньи) и по возникшему каналу в тонких льдах, ледоколу проще увеличивать его ширину, способствуя проходу судов, перемещающих груз к месту назначения

Под действием южных ветров и так называемого нажимного дрейфа льда, у побережья острова Большой Ляховский увеличивается его сплоченность (рис. 3).

Рисунок 3 - Спутниковое (Terra/Modis) изображение пролива Дмитрия Лаптева и положения льдов в комбинации каналов 3-6-7, 01.07.2020 г

Примечание: по ист. [3]

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.95.4

Области большой сплоченности при нажимном дрейфе сильно усложняют условия навигации вследствие увеличения толщины льда

[7]

.

Перемещаясь по всему проливу, дрейфующий от берега лед (отжимной дрейф) способствует появлению в прибрежной зоне разводьев (рис. 3 темно-красный цвет), которые могут вновь покрыться льдом. Эти участки становятся опасными для перемещения маломерных судов, способных быть окруженными мощными льдами со всех сторон, а попав в них, не иметь возможности без сторонней помощи выйти обратно на трассу.

При высокой облачности дополнительно можно привлечь данные радиодиапазона с Sentinel-1 C-SAR вертикальной (VV) поляризации (рис. 4). Этот прибор обеспечивает радиометрическую точность до 1 дБ при центральной частоте 5,405 ГГц

Рисунок 4 - Спутниковое изображение пролива Дмитрия Лаптева и положения льдов Sentinel-1 C-SAR VV-decibel gamma0 - orthorectifiled 27.06.2020 г

Примечание: по ист. [11]

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.95.5

Снимку в радиодиапазоне (рис. 4), в отличие от оптического снимка (рис. 2а), не мешает облачность, однако он требует большей обработки. Из-за специфики съемки, для работы с изображением, его необходимо подвергать ортотрансформации – с помощью математических процессов удаляется перспектива, разворот, искажения и др. дефекты. В отличие от снимка оптического диапазона в комбинации каналов 3-6-7 (рис. 2в) на рис 4. не видны различия в толщине льда, что осложняет использование снимков радиодиапазона как единственного источника информации.

В процессе выполнения работы нами рассмотрен способ привлечения дополнительной информации о ледовом состоянии для трассы СМП, проанализированный на основе данных, приведенных для пролива Дмитрия Лаптева. Данный способ можно применять и на других участках трассы СМП.

На основе полученных данных рассмотрен пример использования данного способа в условиях, когда при южном ветре лед дрейфует к южному берегу острова Большой Ляховский, увеличивая сплочённость и освобождая на короткий период южный участок пролива для навигации судов, даже не имеющих ледового класса. При изменении направления ветра лед может отойти от южного берега острова Большой Ляховский и закрыть собой все участки чистой воды в проливе. Применение псевдоцветных композитных изображений позволяет отличать поверхности из снега и льда от облаков и обеспечивать суда, проходящие по трассе СМП, актуальными данными. При наличии облачности дополнительно можно привлекать данные с РСА.

Итог: анализ ледовых карт и спутниковых снимков позволяет получить информацию о существующей ледовой обстановке на трассе СМП, способствуя тем самым безопасному передвижению судов и в навигационный период, и в условиях ледокольной проводки.