Цели занятия
По окончании этого занятия учащиеся смогут:
Около 80% поверхности Земли покрыто водой. Океаны играют важную роль в формировании погоды Земли. Долговременные закономерности в погоде, называемые климатом, взаимодействуют с другими природными факторами, превращая одни места в тропический лес, а другие в пустыню. Эти закономерности могут показаться вечными, но это не так. В прошлом катастрофические изменения климата сильно влияли на жизнь как в воде, так и на суше. Например, одна из теорий гласит, что динозавры вымерки от голода после столкновения Земли с астероидом или кометой, в результате чего в небо поднялись облака пыли, закрывшие Солнце и погубившие растения, которыми питались динозавры.
Ледниковые периоды говорят иное о глобальных климатических изменениях - это может происходить постепенно. Некоторые ученые озабочены тем, что Земля вступает в очередной период существенных изменений климата. Другие полагают, что нынешние изменения в пределах нормы и поэтому неопасны. По правде говоря, об этом еще рано судить, но уже сегодня можно стремиться понять связанные с этим научные вопросы. Это занятие прольет свет на один из аспектов проблемы - температуру морской поверхности, и предложит пути расширения знаний об этом локомотиве погоды - океане.
Вот уже 17 лет наблюдение за океанами ведется с использованием спутников дальней съемки, которые очень точно измеряют температуру моря прямо из космоса. Современные спутники проводят такие измерения с точностью до 0.3 градуса Цельсия. Точность имеет большое значение, поскольку незначительные изменения температуры моря существенно влияют на погоду по всему миру. Научные данные, которые вы будете использовать, были собраны Улучшенным радиометром сверхвысокого разрешения (УРСВР) на борту спутника NOAA-7 с 1981 по 1986 год. Вам необходимо, при помощи средства научной визуализации под названием NIH Image 1.55, изобразить и понять малую часть этих данных, а также рассказать о своих результатах одноклассникам и учителю.
Запустите NIH Image, щелкнув дважды на его иконке. Выберите пункт Open меню File. Когда появится диалоговое окно, щелкните дважды на файле под названием Earth.
1. Это вид Земли из космоса. Если бы вы прилетели с другой планеты, какое было бы у вас первое впечатление?
Выберите Close в меню File, чтобы стереть изображение Земли. Затем снова выберите Open меню File и откройте файл SD86365I.BRW. Это изображение средних температур морской поверхности в декабре 1986 года.
На этом изображении вода обозначена разными цветами. Суша показана черным цветом. Положение каждого пиксела (элемента изображения) закодировано. Сперва вам предстоит понять этот код. Выберите иконку Cross-Hairs в окне меню Tools внизу в правой колонке. Поместите курсор в нижний левый угол изображения и понаблюдайте, что происходит с x- и y-координатами при перемещении курсора по изображению.
2. Найдите координаты (x,y) каждого угла изображения.
Нижний левый угол
Верхний левый угол
Нижний правый угол
Верхний правый угол3. Каковы размеры изображения? Строки (по горизонтали): Столбцы (по вертикали)
4. Сколько градусов долготы в каждом пикселе?
5. Сколько градусов широты в каждом пикселе?
6. Все ли пикселы представляют области с одинаковой угловой размерностью?
7. Все ли пикселы представляют области с одинаковой площадью?
Чтобы понять зависимость между координатами пиксела и соответствующими ему широтой и долготой, преобразуйте изображение так, как показано ниже. Вертикальная белая линия - это линия долготы, называемая основным меридианом. Горизонтальная белая линия - это экватор.
Как показано на следующем рисунке, пикселы можно представлять себе как равноугольные фишки, покрывающие Землю. Эти фишки распространяются от экватора и основного меридиана во все стороны. Линии широты и долготы, служащие названием каждой фишки, выделены жирным.
В Таблице 1 приведены правила преобразования координат (x,y) на изображении SD86365I.BRW в широту и долготу. Это необходимо из-за того, что большинство спутников не центрированы по экватору и основному меридиану.
8. Найдите следующие города при помощи курсора и координат (x,y). Пользуясь Таблицей 1, преобразуйте координаты городов в широту и долготу:
(X,Y) Город Долгота Широта (104,90) Сингапур _ _ (302,54) Буэнос-Айрес _ _ (116,57) Perth _ _ (11,149) Осло _ _
Значение каждого пиксела, показанное в окне значений внизу слева, называется номером данных или DN. Вы можете преобразовать DN в градусы Цельсия с помощью формулы градусы = 0.15*DN - 2.1
9. Увеличьте каждое из указанных мест и найдите DN водного пиксела, ближайшего к каждому из городов. Переведите DN в градусы Цельсия по приведенной выше формуле и в градусы Фаренгейта по формуле Фаренгейт = 1.8*Цельсий + 32
(X,Y) Город DN Градусы Цельсия (104,90) Сингапур _ _ (302,54) Буэнос-Айрес _ _ (116,57) Perth _ _ (11,149) Осло _ _
К этому моменту у вас должна была появиться идея о том, что обозначают цвета на карте температур морской поверхности. Выберите иконку Cross-Hairs и передвиньте курсор в окно LUT (Look Up Table). При перемещении маркера сверху (фиолетовый цвет) вниз (красный цвет) значения DN изменяются от 0 до 254, что соответствует изменению температуры от -2.1 до 36 градусов Цельсия. Таким образом, эта таблица представляет собой ключ к температурам на карте, где все горячее изображено красным, а холодное - фиолетовым. Остальные цвета обозначают температуры между теплом и холодом. Заметьте, что суша обозначена черным, и ее DN равен 255 независимо от температуры.
В окне Tools шестая иконка в левой колонке носит название Draw Line. Пользуясь этим инструментов, проведите горизонтальную линию от точки с координатами (0,89) до точки, где информационное окно покажет DX = 359 и DY = 0.
10. Как называется эта линия на глобусе? С помощью того же инструмента Draw Line, проведите вертикальную линию от точки (179,0) до точки, где информационное окно покажет DX = 0 и DY = 179.
11. Как называется эта линия на глобусе?
Выберите инструмент Rectangle в окне Tools. Пользуясь им, нарисуйте прямоугольник, начиная с точки (155,89) и продолжая до (234,137). Вам придется вычислить положение второй точки по данным информационного окна. В этот прямоугольнок попадает большая часть северной половины Тихого океана.
Выберите пункт Load Macros из меню Special. В открывшемся диалоговом окне выберите каталог Macros. Когда он откроется, выберите макро под названием Plotting Macros. Выберите пункт Plot Histogram из меню Special. Перетащите гистограмму за пределы изображения, чтобы ясно видеть и то, и другое. Щелкните мышью на изображении, чтобы вновь увидеть прямоугольник.
Гистограмма показывает относительную частоту появления различных цветов (температур) в прямоугольнике. Самые частые цвета имеют наибольшую высоту на гистограммея Щелкните на гостиграмме и поместите курсор на наивысший пик.
12. Каково наиболее частое значение DN в вашем прямоугольнике? Переведите это значение в градусы Цельсия. Примечание: Значения вдоль горизонтальной линии на гистограмме неверны. Не обращайте на них внимания.
13. Каково наибольшее значение DN в вашем прямоугольнике? Где его можно найти в прямоугольнике? Переведите это значение в градусы Цельсия.
14. Каково наименьшее значение DN в вашем прямоугольнике? Где его можно найти в прямоугольнике? Переведите это значение в градусы Цельсия.
15. Напишите несколько предложений о том, как объяснить общую форму гистограммы в терминах температур морской поверхности.
Щелкните на гистограмме. Найдите маленькое окошко в левом верхнем углу ее и щелкните на нем. Появится вопрос, хотите ли вы сохранить изменения в гистограмме. Щелкните на Yes. В появившемся диалоговом окне введите имя гистограммы - North Pacific Histogram, и щелкните на Save. При этом гистограмма сохранится на диске для дальнейшего использования.
Если прямоугольник не виден, щелкните на изображении карты, и он вновь появится. Выберите инструмент Hand в окне инструментов Tools, переведите курсор в свой прямоугольник и перетащите его вниз, пока верхняя его граница не совпадет с экватором, а левый край - с точкой (155,89).
Выберите пункт Plot Histogram из меню Special, чтобы получить гистограмму для южной части Тихого океана. Как и ранее, перетащите гистограмму за пределы изображения, чтобы ясно видеть и то, и другое. Щелкните мышью на изображении, чтобы вновь увидеть прямоугольник.
16. Каково наиболее частое значение DN и температура в вашем прямоугольнике?
Примечание: Щелкните на гистограмме для получения значений DN.17. Каково наибольшее значение DN и температуры?
18. Каково наименьшее значение DN и температуры?
19. Напишите несколько предложений, объясняющих гистограмму.
Как и ранее, сохраните гистограмму и назовите ее South Pacific Histogram. Выберите пункт Open меню File. В диалоговом окне выберите North Pacific Histogram. Таким же образом откройте South Pacific Histogram. Передвиньте обе гистограммы так, чтобы их края находились на одной линии, позволяя легко их сравнивать.
20. Напишите несколько предложений, где сравните две гистограммы и объясните их различия в терминах температуры воды.
Выберите пункт Image Math меню Enhance. В диалоговом окне выберите North Pacific Histogram - South Pacific Histogram и щелкните OK.
21. Напишите несколько предложений, где опишите и объясните результат.
Повторите то же, выбрав South Pacific Histogram - North Pacific Histogram
22. Что означает полученный результат?
23. Почему результаты пунктов 20 и 21 различны?
Откройте меню File и закройте все открытые файлы. Затем откройте файл SD86181I.BRW. Это карта морских температур за июнь 1986 года.
24. Напишите список вопросов, на которые вы могли бы ответить, пользуясь уже изученными методами.
25. Какое срацнение мпжно провести между данными за декабрь и данными за июнь? Что, по-вашему, должно отличаться?
26. Проведите исследование и опишите результаты.
Предлагаемые дальнейшие занятия