Введение к работе
Актуальность темы.
Успешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности c помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (ЛА): спутниках, самолетах, вертолётах и др. Среди этих средств особое место занимают микроволновые системы дистанционного зондирования поверхности Земли. Они обладают рядом преимуществ. Во-первых, микроволновые приборы ДЗ, установленные на ЛА, позволяют получать информацию о земной поверхности и расположенных на ней объектах независимо от времени суток, уровня освещенности, в любых метеорологических условиях и на больших дальностях наблюдения. Во-вторых, технический прогресс в создании нового поколения СВЧ радиометров и радиолокаторов позволил резко повысить их метрические характеристики и, соответственно, информационные возможности для изучения природных ресурсов Земли.
Дождь – естественное явление природы, характеристики которого сильно изменяются в пространстве и во времени. Исследование осадков при наблюдении Земли из космоса является одной из важных проблем дистанционного зондирования. Это необходимо для прогноза погоды, изучения климата, проведения контроля за метеорологическими опасными явлениями и для других практических применений.
СВЧ радиометрический метод пассивного зондирования осадков выгодно отличается от оптических методов. Волны видимого и инфракрасного диапазонов чрезвычайно сильно поглощаются и рассеиваются в облаках и осадках. Поэтому сенсоры этих диапазонов имеют весьма ограниченные возможности в получении полезной информации из атмосферных слоев, лежащих ниже верхней границы облаков.
Впервые возможность оценки интенсивности дождя по уходящему радиоизлучению Земли показал эксперимент, проведенный на спутнике «Космос-243». Зоны осадков, выпадающие над морской поверхностью, регистрировались по характерным выбросам яркостной температуры на длинах волн 0.8, 1.35 и 3.2 см. По величине выброса можно было оценить несколько градаций интенсивности дождя. Дальнейшее развитие исследования осадков из космоса связано с американским спутником DMSP, на котором был установлен СВЧ-радиометрический комплекс SSM/I, принимающий излучение в широком диапазоне длин волн от 0.35 до 1.6 см. Этот комплекс позволил проводить изучение полей осадков как над сушей, так и над морем. Осадки на радиометрических изображениях проявлялись как зоны с пониженной яркостной температурой на волне 0.35 см, что объясняется увеличением альбедо за счет многократного рассеяния микроволн на крупных каплях дождя. В последние годы дистанционное зондирование осадков проводилось на японо-американском спутнике TRMM. В стадии подготовки находится крупный международный космический проект GPM (Global Precipitation Mission). В этом проекте СВЧ-радиометрическому зондированию осадков придается большое значение.
Однако, в проведенных СВЧ-радиометрических исследованиях не учитывалась поляризация радиоизлучения осадков. Поляризационный эффект радиоизлучения дождя, обусловленный сплющиванием крупных капель при падении их в воздухе, является характерным признаком осадков. Он может быть использован для обнаружения осадков из космоса и количественных оценок их характеристик. Кроме того, в имеющейся литературе нет сведений об исследовании влияния выпавших капель дождя на радиационные характеристики растительного покрова.
В настоящей диссертации представлены теоретические оценки поляризации излучения Земли в миллиметровом диапазоне длин волн при наклонном зондировании со спутников, рассмотрены особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель дождя на кронах деревьев.
Целью работы является исследование особенностей микроволнового излучения осадков при дистанционном зондировании с летательного аппарата:
– поляризационного эффекта излучения, вызванного выпадением жидких осадков,
– угловой и спектральной зависимостей коэффициента поляризации (2-ой компоненты вектора Стокса) при разных значениях интенсивности осадков,
– влияния капель дождя, осажденных на кронах деревьев, на яркостную температуру леса.
Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:
развитие физической модели переноса излучения, учитывающей различные факторы, связанные с рассеянием и поглощением на каплях и элементах растительности;
разработку методики и алгоритмов расчета коэффициента поляризации яркостной температуры системы «атмосфера-подстилающая поверхность» над сушей и над морем;
разработку методики и алгоритмов расчета яркостной температуры леса с учетом влияние выпавших капель дождя на кронах деревьев;
проведение расчетов и сравнение полученных результатов с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Впервые получены оценки поляризации альбедо и яркостной температуры атмосферы в процессе выпадения осадков при наклонном зондировании из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что при надирных углах наблюдений 50-600 разность яркостной температуры Земли на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы градусов Кельвина (К).
-
Проведен анализ зависимостей 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры Земли от угла наблюдения и интенсивности выпадения осадков.
-
Показана возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков из космоса при условии существенного повышения пространственного разрешения бортовых СВЧ радиометров (порядка 1 км).
-
Получены новые данные о влиянии капель дождя на интегральное ослабление в кронах деревьев, альбедо и яркостную температуру леса. Показано, что яркостная температура сухого и мокрого леса может отличаться на величину до 40 К в диапазоне миллиметровых волн.
Положения и результаты работы, выносимые на защиту:
-
Алгоритм и методика расчета яркостной температуры системы «атмосфера – подстилающая поверхность», основанные на использовании данных о различии ослабления и рассеяния капель дождя на 2-х ортогональных поляризациях и представлении атмосферы как одномерной рассеивающей среды.
-
Теоретические оценки поляризации яркостной температуры уходящего излучения Земли на вертикальной и горизонтальной поляризации. Угловые зависимости коэффициента поляризации в миллиметровом диапазоне длин волн при различных значениях интенсивности дождя.
-
Анализ влияния подстилающей поверхности (суша и море) на коэффициент поляризации яркостной температуры Земли.
-
Результаты расчета радиационных характеристик мокрого леса, показавшие, что капли дождя, осажденные на кронах деревьев, значительно изменяют диэлектрическую проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо и яркостную температуру растительности в миллиметровом диапазоне длин волн.
Научная и практическая ценность работы
Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для решения научных и прикладных задач, связанных с диагностикой осадков и растительности при наблюдении с аэрокосмических платформ. Данные о поляризации уходящего излучения Земли во время выпадения дождя могут найти применение при планировании космических экспериментов, предназначенных для обнаружения зон осадков и определения их параметров. При этом могут быть оценены требования к таким характеристикам бортовой СВЧ радиометрической аппараты, как диапазон длин волн, чувствительность, пространственная разрешающая способность.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 2004 г. по 2008 г. Они докладывались на семинарах ИРЭ РАН и других научных организаций, а также были доложены на следующих научных конференциях:
-
The sixth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and sub millimeter waves and workshop on terahertz technologies. Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007.
-
50-я юбилейная научная конференция Московского физико-технического института 23 – 27 ноября 2007 г. Москва.
-
LXIII Научная сессия, посвященная дню радио (Посвящается 100-летию со дня рождения академика В.А. Котельникова) 14-15 мая 2008 г., Москва.
Публикации
Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, были опубликованы в печатных работах, которые приводится в списке цитируемой литературы [1-5].
Структура и объем диссертации.
