Отражательные свойства арктического летнего льда в видимом и инфракрасном диапазонах

Представлен краткий обзор работ авторов, в которых развита аналитическая теория спектральных оптических характеристик различных типов морского льда как рассеивающей среды (коэффициентов ослабления и поглощения, индикатрисы рассеяния), а также модели отражения ледовым покрытием в Арктике. Лед моделируется как статистически однородная случайная смесь лед-воздух-вода с крупным (по сравнению с длиной волны излучения) масштабом неоднородностей. Параметры смеси (концентрации и размеры неоднородностей) определяются генезисом и положением слоев льда. Во всех случаях масштаб неоднородностей много больше длины волны света. Для определения оптических характеристик различных типов морского льда развиты теории рассеяния света стохастической смесью в приближениях геометрической оптики и Вентцеля—Крамерса—Бриллюэна. Спектральное отражение ледовыми полями описывается в рамках асимптотической теории распространения света в оптически толстых слабопоглощающих слоях. Для описания оптических характеристик тающего (летнего) льда развита модель отражения света прудом талой воды на льду (снежницей). Таким образом определяются все оптические характеристики арктического льда, которые необходимы в качестве входных данных для расчёта переноса излучения. Показано хорошее совпадение полученных результатов с данными измерений, выполненных в ряде арктических экспедиций. Развиты методы атмосферной коррекции спутниковых и полевых данных.

1. Grenfell T. C., Maykut G. A. The optical properties of ice and snow in the Arctic basin // J. Glaciol. 1977. V. 18, N 80. P. 445—463.

2. Perovich D. K. The optical properties of sea ice // US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL) Report 96-1, Hanover, NH, USA, 1996. URL: www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA310586 (date of access: 24.03.2016).

3. Sea Ice Nomenclature, WMO No. 259, Suppl. No.5, SPA_ETSI_manual_SIM02, 2014. URL: http://www.ioc-unesco.org/index.php?option=com_oe&task=viewDocumentRecord&docID=4438 (date of access: 24.03.2016).

4. Назинцев Ю. Л. Тепловой баланс поверхности многолетнего ледяного покрова в Центральной Арктике // Труды ААНИИ.1964. Т. 267. С. 110—126.

5. Доронин Ю. П. Тепловое взаимодействие атмосферы и гидросферы в Арктике. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 299 с.

6. Mobley C. D., Cota G. F., Grenfell T. C., Maffione R. A., Pegau W. S., Perovich D. K. Modeling Light Propagation in Sea Ice // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 1998. V. 36, N 5. P. 1743—1749.

7. Light B. Theoretical and observational techniques for estimating light scattering in first-year Arctic sea ice // A. Kokhanovsky (Ed.),Light Scattering Reviews 5. Single Light Scattering and Radiative Transfer. Berlin, Springer, 2010. P. 331—391.

8. Nicolaus M., Gerland S., Hudson S.R., Hanson S., Haapala J., Perovich D. K. Seasonality of spectral albedo and transmittance asobserved in the Arctic Transpolar Drift in 2007 // J. Geophys. Res. 2010. V.115, C11011. doi:10.1029/2009JC006074

9. Heygster G., Alexandrov V., Dybkjær G., Girard-Ardhuin F., Hoyningen-Huene W. von, Katsev I. L., Kokhanovsky A., Lavergne T.,Malinka A. V., Melsheimer C., Pedersen L. T., Prikhach A. S., Saldo R., Tonboe R., Wiebe H., Zege E. P. Remote sensing of sea ice:advances during the DAMOCLES project // The Cryosphere. 2012. V. 6. P. 1411—1434. doi:10.5194/tc-6-1411-2012

10. Boetius A. et al. Export of Algal Biomass from the Melting Arctic Sea Ice // Science. 2013. V. 339, N 6126. P. 1430—1432. doi:10.1126/science.1231346

11. Polashenski C., Perovich D., Courville Z. The mechanisms of sea ice melt pond formation and evolution // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, C01001. doi:10.1029/2011JC007231

12. Rösel A., Kaleschke L., Birnbaum G. Melt ponds on Arctic sea ice determined from MODIS satellite data using an artificial neural network // The Cryosphere. 2012. V. 6. P. 431—446.

13. Istomina L., Heygster G., Huntemann M., Marks H., Melsheimer C., Zege E., Malinka A., Prikhach A., Katsev I. Melt pond fraction and spectral sea ice albedo retrieval from MERIS data — Part 2: Case studies and trends of sea ice albedo and melt ponds in the Arctic for years 2002—2011 // The Cryosphere. 2015. V. 9. P. 1567—1578. doi:10.5194/tc-9-1567-2015

14. Maykut G. A., Grenfell T. C., Weeks W. F. On estimating the spatial and temporal variations in the properties of ice in the polar oceans // J. Marine Syst. 1992. V. 3. P. 41—72.

15. Langleben M. P. Albedo of melting sea ice in the southern Beaufort Sea // J. Glaciol. 1971. V. 10. P. 101—104.

16. Schröder D., Feltham D. L., Flocco D., Tsamados M. September Arctic sea-ice minimum predicted by spring melt-pond fraction // Nature: Climate Change. 2014. V. 4. P. 353—357. doi:10.1038/nclimate2203

17. Perovich D. K. Light reflection from sea ice during the onset of melt // J. Geophys. Res. 1994. V. 99, N C2. P. 3351—3359.

18. Morassutti M. F., Ledrew E. F. Albedo and depth of melt ponds on sea-ice // Int. J. Climatol. 1996. V. 16. P. 817—838.

19. Perovich D. K., Grenfell T. C., Light B., Hobbs P. V. Seasonal evolution of the albedo of multiyear Arctic sea ice // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, C108044.

20. Perovich D. K., Grenfell T. C., Light B., Elder B.C., Harbeck J., Polashenski C., Tucker III W. B., Stelmach C. Transpolar observations of the morphological properties of Arctic sea ice // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, C00A04. doi:10.1029/2008JC004892.

21. Makshtas A. P., Podgorny I. A. Calculation of melt pond albedos on arctic sea ice // Polar Res. 1996. V. 15, N 1. P. 43—52.

22. Malinka A. Light scattering in porous materials: Geometrical optics and stereological approach // J. of Quantit. Spectrosc. & Radiat. Transf. 2014. V. 141. P. 14—23.

23. Malinka A. Analytical expressions for characteristics of light scattering by arbitrarily shaped particles in the WKB approximation // J. Opt. Soc. Am. A. 2015. V. 32. P. 1344—1351. doi: 10.1364/JOSAA.32.001344

24. Malinka A., Zege E., Heygster G., Istomina L. Reflective properties of white sea ice and snow // The Cryosphere. 2016. V. 10. P. 2541—2557. doi:10.5194/tc-10-2541-2016

25. Malinka A., Zege E., Istomina L., Heygster G., Spreen G., Perovich D., Polashenski C. Reflective properties of melt ponds on sea ice // The Cryosphere Discuss. 2017. doi:10.5194/tc-2017-150, in review.

26. Bricaud A., Morel A., Prieur L. Absorption by dissolved organic matter of the sea (yellow substance) in the UV and visible domains // Limnol. Oceanogr. 1981. V. 26 (1). P. 43—53.

27. Kopelevich O. V., Lyutsarev S. V., Rodionov V. V. Spectral light absorption by yellow substance in seawater // Oceanology. 1989. V. 29. P. 305—309.

28. Thomas D. N., Kattner G., Engbrodt R., Gianelli V., Kennedy H., Haas C., Dieckmann G. Dissolved organic matter in Antarctic sea ice // Annals of Glaciology. 2001. V. 33. P. 297—303.

29. Xue Sh., Wang Ch., Zhang Zh., Song Y., Liu Q. Photodegradation of dissolved organic matter in ice under solar irradiation // Chemosphere. 2016. V. 144. P. 816—826.

30. Rozenberg G. V. Optical properties of thick layers of a homogeneous scattering medium // Smithsonian Institution, Astrophysical Observatory, Astronomical papers translated from the Russian, Iss. 9, ASIN: B0007F925C, 1966. Translated from: Spectroscopy of light scattering media. Academy of Sciences of the BSSR, Minsk, 1963, P. 5—35.

31. Гермогенова Т. А. Некоторые формулы для решения уравнения переноса в задаче о плоском слое // Спектроскопия светорассеивающих сред (ред. ак. АН БССР Б.И. Степанов). Минск: Издательство Академии Наук БССР, 1963. C. 36—41.

32. Hulst H. C. van de. Radiative transfer in thick atmospheres with an arbitrary scattering function // Bull. Astron. Inst. Netherlands. 1968. V. 20. P. 77—86.

33. Sobolev V. V. Light scattering in planetary atmospheres. Oxford, New York: Pergamon Press, 1975.

34. Zege E., Katsev I., Malinka A., Prikhach A., Polonsky I. New algorithm to retrieve the effective snow grain size and pollution amount from satellite data // Ann. Glaciol. 2008. V. 49. P. 139—144.

35. Zege E. P., Katsev I. L., Malinka A. V., Prikhach A. S., Heygster G., Wiebe H. Algorithm for retrieval of the effective snow grain size and pollution amount from satellite measurements // Remote Sens. Environ. 2011. V. 115, N 10. P. 2674—2685.

36. Tynes H., Kattawar G. W., Zege E. P., Katsev I. L., Prikhach A. S., Chaikovskaya L. I. Monte Carlo and multi-componentapproximation methods for vector radiative transfer by use of effective Mueller matrix calculations // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 400—412.

37. Zege E., Malinka A., Katsev I., Prikhach A., Heygster G., Istomina L., Birnbaum G., Schwarz P. Algorithm to retrieve the melt pond fraction and the spectral albedo of Arctic summer ice from satellite optical data // Remote Sens. Environ. 2015. V. 163. P. 153—164, doi:10.1016/j.rse.2015.03.012

38. Istomina L., Nicolaus M., Perovich D. Spectral albedo of sea ice and melt ponds measured during POLARSTERN cruise ARK XXII/3 (IceArc) in 2012. IUP, Universität Bremen, PANGAEA Dataset, 2013. doi:10.1594/PANGAEA.815111

39. Malinka A. V., Zege E. P., Katsev I. L., Prikhach A. S., Istomina L. Accounting for Atmospheric Effects in the Interpretation of Satellite and Ground-Based Optical Measurements // J. Appl. Spectrosc. 2016. V. 83, N 5. doi:10.1007/s10812-016-0357-3

40. Istomina L., Heygster G., Zege E., Malinka A., Prikhach A., Katsev I. Albedo and meltpond analysis: validation and calibration of the MPD retrieval using sea ice and melt pond albedo spectra measured during Polarstern cruise IceArc2012 / Scientific report no. D4.4 to project SIDARUS (Sea Ice Downstream services for Arctic and Antarctic Users and Stakeholders), grant no. 262922 of the 7th Framework Programme for Research and Development. 2013. URL: http://sidarus.nersc.no/content/public-deliverables (date of access: 27.04.2018).

41. Gavrilo V. P., Gaitskhoki B. Y. The statistics of air inclusions in ice // The Physics of Ice, edited by Bogorodskii V. V., translated from Russian, Isr. Program for Sci. Transl., Jerusalem, 125—128, 1970.

42. Zege E. P., Ivanov A. P., Katsev I. L. Image transfer through a scattering medium. Heidelberg: Springer—Verlag, 1991.

43. Tomasi C., Vitale V., Lupi A., Carmine C. Di, Campanelli M., Herber A., Treffeisen R., Stone R. S., Andrews E., Sharma S., RadionovV., Hoyningen-Huene W. von, Stebel K., Hansen G. H., Myhre C. L., Wehrli C., Aaltone V., Lihavainen H., Virkkula A., HillamoR., Ström J., Toledano C., Cachorro V. E., Ortiz P., Frutos A. M. de, Blindheim S., Frioud M., Gausa M., Zielinski T., Petelski T., Yamanouchi T. Aerosols in polar regions: A historical overview based on optical depth and in situ observations // J. Geophys. Res. 2007. V. 112, D16205. doi:10.1029/2007JD008432.