Введение к работе
Актуальность темы
Многие крупномасштабные процессы и явления, происходящие на границе раздела океана и атмосферы, не поддаются изучению с помощью традиционных контактных средств измерения. Сюда относятся: развитие штормового волнения, взаимодействие поверхностных и внутренних волн, изменчивость фронтальных зон и течении, формирование ледового покрова, распространение загрязнений, различные синоптические движения.
Современные методы дистанционного зондирования поззоляют вплотную подойти к проблеме глобального геофизического мониторинга, в том числе системы океан-атмосфера. Арсенал используемых в аэрокосмичеекпх исследованиях наблюдательных средств охватывает широкий спектр излучений от ультрафиолетовых до радиоволн. Особое место отводится СВЧ- (микроволновому) диапазону. СВЧ-радиоволны обладают более высокой чувствительностью к изменению структуры природной среды и, вместе с тем, слабее поглощаются в атмосфере и в облаках.
По принципу действия радиометоды разделяются на два типа: активные и пассивные. Первые (радиолокационные) используют активное воздействие на исследуемую среду с тем, чтобы по характеристикам рассеянного сигнала получить информацию об ее состоянии. Вторые (радиометрические или радиотеплолокационные) основаны на приеме собственного теплового излучения самой среды, которое зависит от ее термодинамических и физических свойств.
Если панорамные радиолокационные методы дистанционного зондирования достаточно хорошо разработаны и доведены до практического использования при решении конкрегных геофизических задач (например, данные спутников Космос-1500,
2 АЛМАЗ, ERS-1, RADARSAT), то радиометрические средства внедряются довольно медленно и применяются а основном для восстановления параметров атмосферы и облачности, реже - для определения температуры поверхности океана и поля ветра, а также при зондировании ледового покрова (например, данные микроволнового сканера SSM/I). Возможности СВЧ-радиометрии в исследованиях океана считаются ограниченными не только из-за низкой разрешающей способности микроволновой аппаратуры, но, что более важно, из-за крайне слабой изученности физических механизмов формирования теплового излучения в пограничных с атмосферой слоях океана при наличии разнообразных динамических процессов.
Научное направление, получившее впоследствии название радиогидрофизпка, потребовало применения новых комплексных подходов как для осуществления детальных и целенаправленных (лабораторных, натурных) экспериментов, так и для разработки теоретических основ микроволновой диагностики состояния поверхности океана.
При изучении глобальных, крупномасштабных и локальных процессов, связанных с нелинейными волновыми движениями, динамикой и обрушением поверхностных волн, использование только спектральных трассовых СВЧ-пзмерений оказывается недостаточным. Единственным способом панорамного обзора, который позволяет "документально" зафиксировать поверхностные явления и изучить irx пространственно-статистические характеристики, до сих пор остается аэрокосмический метод оптической съемки. Поэтому совмещение микроволновых и оптических средств наблюдения представляется наиболее информативным способом изучения волновых процессов в океане, охватывающих масштабы от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров.
До начала настоящих исследований имелось лишь общее представление о вариациях собственного излучения морской поверхности в СВЧ-днапазонс. Ранее были проанализированы возможности двухмасштабной модели рассеяния и выполнены теоретические оценки влияния шероховатости и мелкодисперсных нсоднородностей на характеристики излучения водной поверхности. Известны также результаты радиометрических измерений радиацнонно-ветровых зависимостей на нескольких длинах волн излучения. Весомый вклад в развитие этих работ внесли сотрудники институтов Академии Наук: ИРЭ, ИФА, НИРФИ, ИОАН, ИПФ, ФИАН, ИКИ, а также ГГО, МГИ и ряда других ведомственных организаций.
Вместе с тем, отсутствовал общий подход к проблеме эффективности микроволновых измерений, который давал бы четкий ответ, какие явления п океане возможно наблюдать, а какие нет. Практически не исследованы были вопросы электродинамики поверхностного слоя океана в штормовых условиях при возникновении процессов перемешивания и ценообразования. Слабо изученными теоретически и экспериментально оставались закономерности распространения СВЧ-Нзлучения в неоднородном двухфазном слое океана при наличии структурных віщоизмепений дисперсной среды. Влияние гидродинамических возмущений - волн различного ?дасштаба и крутизны - на спектр микроволнового излучения также не было до конца исследовано. Отсутствовали систематизированные экспериментальные данные о пространственно-статистичсскнх характеристиках поля обрушений поверхностных волн - основного гидрофизического фактора, определяющего вариации микроволнового излучения океана при шторме. Кроме того, методология дистанционной индикации поверхностных возмущений в океане, методы обработки и анализа получаемой измерительной информации развиты не были.
Цель диссертационной работы
Целью работы являлось создание физических принципов дистанционной индикации состояния поверхности океана и динамических процессов в поверхностном слое с помощью микроволновых и оптических (панорамных) аэрокосмических средств. Для этого необходимо -было сформулировать и решить следующие основные научные задачи: изучить структуру поверхностного слоя океана как композиционг
ной электродинамически неоднородной среды; » исследовать экспериментально и теоретически основные механизмы и условия распространения радиоволн на. границе раздела океана и атмосферы при наличии фазовых переходов, геометрических и объемных неоднородностей; » провести тематический цикл натурных экспериментов по изучению оптико-микроволновых характеристик поверхности океана в различных гидрометеоусловиях при наличии естественных динамических процессов; » разработать многопараметрическую радиофизическую модель, способную учесть совокупное'влияние основных поверхностных факторов на- спектральные и поляризационные характеристики собственного теплового излучения океана и объяснить наблюдаемые зависимости и ряд других смежных задач.
В результате этих исследований, значительная часть которых изложена а диссертации,' сделан определенный' вклад в развитие нового научного направления, получившего название РАДИОГИДРОФИЗИКА. Большую часть выполненных в работе научных исследований можно выделить в самостоятельный раздел, относящийся к ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОКЕАНА.
5 Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые детально исследованы механизмы и закономерности теплового СВЧ-излучения дисперсных сред, формирующихся на границе раздела океана и атмосферы. Показана высокая чувствительность спектра излучения к вариациям структуры и физических параметров дисперсного погранслоя.
-
Рассмотрено влияние поверхностных гидродинамических возмущений различного масштаба на излучение. При взаимодействии микроволнового излучения и взволнованной водной поверхности главными механизмами являются следующие:
зеркальное отражение от ансамбля крупных линейных волн;
отражение от ансамбля нелинейных волн конечной амплитуды;
резонансное рассеяние на гравитационно-капиллярных волнах малой амплитуды;
» согласующее (просветляющее) воздействие мелкомасштабной шероховатости с предельными характеристиками.
-
Проведен уникальный цикл натурных оггшко-микрозолновых азронаблюдений волновых процессов в океане; показана возможность дистанционной индикации состояния поверхности океана в нестационарных н неоднородных гидрометеорологических условиях.
-
Разработаны радиофизические основы дистанционной индикации процессов формирования ледового покрова и' водонефтяных эмульсий. Изучены спектральные особенности излучения этих структур.
-
Впервые на .основе оптических данных и специальных методов цифровой обработки изображений выделен и изучен новый класс фрактальных геофизических объектов - полей обрушения поверх-
ностных волн и пенных образований в океане. Исследованы масштабы, пространственная структура и изменчивость этих полей в нестационарных условиях.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы состоит в создании и
обоснования методик дистанционной индикации состояния
поверхности океана с помощью аэрокосмических комплексов
микроволновой и оптической аппаратуры высокого
пространственного разрешения. Физические принципы, изложенные
в работе, а та:с*се накопленный опыт натурных оптико-
микроволновых измерений открывают новые перспективы в изучении
океана и атмосферы как единого геофизического объекта.
Разработанные радиофизические модели могут быть непосредственно
использованы для более корректного решения обратных задач
восстановления динамических параметров системы океан-атмосфера в
различных условиях, в том числе в , экстремальных и штормовых
ситуациях. Оперативное получение такой информации необходимо
для обеспечения глобального климатического мониторинга, изучения
взаимодействий и массо-тешюобмена в системе океан-атмосфера,
прогнозирования опасных метеорологических, явлений,
осуществления экологического контроля окружающей среды.
Результаты работы найдут практическое применение в задачах дистанционной. индикации ваутриокеаническііх процессов по их поверхностным проявлениям, которые отображаются и регистрируются в микроволновом и оптическом диапазонах.
Предложенные и реализованные в работе методы анализа и моделирования могут представить интерес в смежных областях дистанционного зондирования и геофизики, радиофизики и оптики. Сюда относятся, например, проблемы распространения электро-
магнитных волн в природных Многофазных средах и сложных композиционных материалах, диагностика планетной и космической среды.
Диссертация выполнена в соответствии с научными планами ИКИ РАН (№ Гос. регистрации 01.86.0065781, тема "Радиогидро-физика"); материалы использовались во многих научно-исследовательских отчетах.
Ліпний вклад автора
Автором сформулированы идеи, осуществлены постановка и решение задач по исследованию характеристик распространения радиоволн СВЧ-диапазона в поверхностном слое океана при воздействии различных геометрических и объемных неоднородностей; им проведен цикл оригинальных лабораторных радиофизических экспериментов. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и- проведении всех оптико-микроволкозых натурных экспериментов ИКИ периода 19S1-I992 гг., а такжз а обработке измерительной информации. Им разработаны принципы цифрового анализа оптических изображений поверхности океана. Автором полностью выполнена теоретическая часть работы, проведены численные расчеты и количественная интерпретация экспериментальных данных. Практически все статьи и тезисы докладов написаны автором самостоятельно.
Степень достоверности
Степень достоверности результатов обосновывается
многократным использованием радиометрической и оптической
аппаратуры в лабораторных а натурных условиях; тщательным
отбором и анализом получаемой информации; высокой
повторяемостью данных измерений, а также хорошим соответствием между экспериментальными и теоретическими зависимостями, найденными в ходе исследований.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн: XIII (Горький, 1981), XIV (Ленинград, 1984), XV (Алма-Ата, 1987), (Харьков, 1990), XVII (Ульяновск, 1993);
УШ Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Львов, 1981);
II, Ш Всесоюзных Съездах океанологов (Ялта, 1982; Ленинград,
1987);
Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды (Рига, 1986);
Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследованиях океана и атмосферы" (Звенигород, 1989);
х III Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических
исследований" (Светлогорск, 1989);
в Всесоюзных семинарах по спутниковой гидрофизике (Севастополь,
1987, 1988, 1989, 1990); *
International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'1991, Helsinki, Finland; IGARSS'1992, Houston, USA);
Pacific Ocean Remote Sensing Conference (PORSEC-1992, Okinawa, Japan; PORSEC-1994, Melbourne, Australia);
Topical Symposium on Combined Optical-Microwave Earth and Atmosphere Sensing (COMEAS-1993, Albuquerque, USA; COMEAS-1995, Atlanta, USA);
European Geophysical Society, General Assembly (EGS-1992, Edinburgh, UK, 1992);
A Symposium on the Air-Sea Interface, Marseilles, France, 1993;
а также на научных семинарах ИКИ, ИРЭ, ИФА, ИВМ, ИО РАН и ряда других организаций.
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в монографии [1], научных статьях и сборниках [2 - 44].
Структура н объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержігг 35 9 страниц машинописного текста, 118] рисунков, 14 таблиц и список литературы из 193 наименований.
Сепопные положения, пьшоснмыо йа защиту
-
Разработка физических принципов дистанционной индикации состояния поверхности океана с помощью аэрехоемггческих средств микроволнового (СВЧ) и оптического (видимого) диапазонов. Применение комплексных оттпгко-микроволновых методов для изучения крупномасштабных динамических явлений в океане, связанных с нелинейным взаимодействием и обрушением поверхностных волн.
-
Разраболса физических основ электродинамики неоднородного (перемешанного) поверхностного слоя океана. Установление зависимостей между характеристиками теплового радиоизлучения и параметрами дисперсного погранслоя. Выяснение механизмов влияния различных гидродинамических факторов, а также
геометрических и объемных неоднородностей на распространение СВЧ-радноволн. Создание композиционной многопараметрической радиофизической модели системы океан-атмосфера. 3. Выделение на основе оптической информации нового класса фрактальных геофизических объектов - полей обрушения поверхностных волн и связанных с ними пенных структур. Установление масштабов изменчивости этих полей в реальных условиях. Выдвижение идеи об использовании фрактальной размерности в качестве меры состояния поверхности океана при аэрокосмических исследованиях.