Поиск в базе сайта:
Исследование земли icon

Исследование земли




Скачать 179.51 Kb.
НазваниеИсследование земли
Дата конвертации07.05.2015
Вес179.51 Kb.
КатегорияИсследование



ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ

С ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ,

ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ

РАДИОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Научное сообщение

на заседании Президиума АН СССР

доктора технических наук

Н. А. АРМАНДА

и доктора технических наук
А. Е. БАШАРИНОВА

Радиофизические методы (наряду с оптическими и акустическими) исследования земной поверхности и атмосферы относятся к числу дистанционных. Они основаны на изучении структуры электромагнитных полей, взаимодействующих с окружающими средами.

Известно, что результат взаимодействия электромагнитных (да и лю­бых других) волн со средой проявляется в изменении амплитуды поля, его отражении и рассеянии, изменении поляризации, появлении фазовых сдвигов, модуляции волн. Любые из этих изменений зависят от электро­динамических и геометрических свойств тел, и поэтому их анализ, в принципе, позволяет по характеристикам радиоволн судить о диэлектри­ческой проницаемости и поглощающей способности веществ, форме изу­чаемых тел, скорости их движения и других параметрах.

В свою очередь, такие физические характеристики вещества, как ди­электрическая проницаемость и коэффициент поглощения, зависят от со­става вещества, его плотности, температуры. Это позволяет по свойствам электромагнитных волн, взаимодействующих с веществом, судить о его характере и температуре.

Методы дистанционного радиозондирования сравнительно давно при­меняются геофизиками для изучения земных пород. Все знания об ионосфере до появления искусственных спутников Земли основывались на результатах дистанционного радиозондирования. Этот метод и в на­стоящее время играет решающую роль в изучении ионосферы, разработ­ке ионосферных прогнозов. Методы дистанционного зондирования при­меняются также в астрономии, в частности в радиоастрономии. Изучение поверхности Земли дистанционными методами зондирования, особенно в СВЧ-радиодиапазоне, стало интенсивно развиваться в основном в послед-

^ Исследование Земли с летательных аппаратов 29

нее время в связи с созданием техники, позволяющей устанавливать при­боры на летательные аппараты. Благодаря этому появилась возможность обзора больших пространств Земли вплоть до глобальных масштабов (с помощью спутников). Применяемые методы дистанционного зондиро­вания существенно дополнили контактные методы, которые позволяют получать лишь локальные характеристики сред.

Возникает вопрос о месте радиометодов в системе дистанционного зон­дирования Земли, о их преимуществах по сравнению, например, с опти­ческими методами, которые уже давно применяются в аэрофотосъемке. При этом надо иметь в виду, что приборы оптического диапазона (вклю­чая инфракрасную область спектра) обладают большой информатив­ностью и хорошей пространственной разрешающей способностью. Поэто­му не сразу можно сказать, в чем же преимущества сравнительно узкого по спектру частот радиодиапазона, к тому же обладающего в общем худшей разрешающей способностью.

Можно выделить два основных преимущества радиодиапазона. Пер­вое — радиоволны почти не поглощаются и не рассеиваются облаками. Поэтому радиометоды в отличие, например, от инфракрасных всепогод­ны. Это имеет особое значение в случае глобального обзора Земли со спутников, так как по крайней мере половина земного шара всегда по­крыта облаками.

Второе преимущество радиометодов связано с большей, по сравнению с оптическими волнами, проникающей способностью радиоволн. Благода­ря этому в радиолучах удается наблюдать поверхность Земли без экра­нирующего эффекта растительности. Кроме того, появляется возможность изучать подпочвенные слои до глубины в несколько десятков метров, используя СВЧ-диапазон радиоволн.

Радиофизические методы могут быть активными и пассивными. Активный метод основан на изучении рассеянного поля радиоволн, излу­чаемых специальным радиопередатчиком. В СВЧ-диапазоне наибольшее распространение получил радиолокационный метод, при помощи которого можно изучать процессы отражения и рассеяния радиоволн, а по ним судить о физических свойствах поверхностных слоев грунта и его геомет­рических параметрах (размерах, высоте неоднородностей и т. п.). При локации на метровых и декаметровых волнах можно преодолеть эффект поглощения радиоволн грунтом и заглянуть под поверхность земли на глубины до нескольких десятков и даже сотни метров. Таким образом, открывается возможность регистрировать на этих глубинах неоднородно­сти и обнаруживать полезные ископаемые неглубокого залегания.

Метод пассивного СВЧ-зондирования основан на регистрации собст­венного радиоизлучения земных покровов, земной атмосферы, облаков. Радиоизлучение зависит как от температуры среды, так и других ее физических свойств. Измеряя температуру каким-либо независимым спо­собом или производя одновременные измерения на нескольких длинах волн, удается получить сведения о физических свойствах сред. В первом приближении можно поступать даже проще. Так как температура почв меняется сравнительно мало и в среднем равна 300 К, то изменения ин­тенсивности излучения почв в большей степени обусловлены вариациями их излучательной способности, которая зависит от электромагнитных свойств почв. Поэтому, изучая собственное излучение почв и его измене­ния, можно в первом приближении без привлечения дополнительных сведений судить об их физических свойствах.

1917-1977

30

Радиофизические методы дистанционного зондирования могут найти и уже находят широкое применение (в статье рассматриваются лишь ме­тоды, основанные на использовании УКВ- и СВЧ-диапазонов волн; длина волн от 1 мм до 10 м), в частности в метеорологии, океанологии, сель­ском хозяйстве.

Метеорология: изучение облаков и осадков, распределения влажности и температуры воздуха с высотой, температуры по поверхности океана и суши, льдов и снежных покровов, турбулентности воздуха.

Океанология: изучение параметров волнения океана, получение дан­ных о ветровом режиме над океаном, исследование формы морского геоида, приливных колебаний уровня воды, определение температуры, степени минерализации и загрязнения морской воды.

^ Сельское хозяйство: получение необходимой метеорологической инфор­мации — о погоде, ходе снеготаяния, вскрытии рек, паводках, оттаивании почвы и ее температуре (эти данные позволяют, в частности, организо­вать более эффективное управление сельскохозяйственным производст­вом, вырабатывать разумные меры по перемещению сельскохозяйствен­ной техники, рабочей силы и т. п.), наблюдение за состоянием почв, что важно для определения сроков внесения удобрений, сроков сева, для правильной организации поливных работ, разработки методов прогнозиро­вания уровня грунтовых вод, наблюдение за степенью минерализации почв для разработки мероприятий по повышению урожайности сельскохозяй­ственных угодий, для оценки состояния сельскохозяйственных культур.

Можно назвать и другие области применения этих методов, например геологию (аэрорадиосъемка, поиск полезных ископаемых неглубокого залегания, поиск геотермальных источников), лесное хозяйство (инспек­ция состояния растительного покрова, противопожарное патрулирование и т. п.), гидрологию.

Радиофизические методы изучения окружающей среды начали разви­ваться в СССР более 20 лет назад. Первые исследования свойств земной атмосферы по ее собственному радиоизлучению были выполнены в Науч­но-исследовательском радиофизическом институте и Физическом институ­те им. П. Н. Лебедева АН СССР. Уже в течение многих лет широким фрон­том ведутся исследования морской поверхности радиолокационными сред­ствами в Институте радиофизики и электроники АН УССР. Организации Гидрометеослужбы развивали работы по радиолокационному зондирова­нию облаков (с Земли), изучению неоднородностей тропосферы радиоме­тодами. Институт радиотехники и электроники АН СССР, Институт физи­ки атмосферы АН СССР, Ленинградский университет и организации Гидрометеослужбы проводят радиометрические исследования с использо­ванием самолетов и спутников.

Работы по радиолокационному зондированию льда ведут Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Рижский институт инженеров гражданской авиации.

В Институте радиотехники и электроники АН СССР наиболее интен­сивно ведутся работы по дистанционному зондированию среды на основе анализа ее собственного радиоизлучения. Исследования Земли, а также Венеры и Марса проводились с помощью аппаратуры, устанавливаемой на космических аппаратах.

В институте были разработаны методики изучения облачных образова­ний, ледяных и снежных покровов, параметров волнения океана и процес­сов пенообразования, влажности почв, минерализации водных бассейнов и почв и ряд других методик.

В результате совместной работы Института радиотехники и электрони­ки. Института физики атмосферы АН СССР и организаций промышленно-

^ Исследование Земли с летательных аппаратов 31

сти на искусственном спутнике Земли «Космос-243», запущенном в 1968 г., впервые в мире была установлена радиометрическая аппаратура. В 1970 г. эксперимент был повторен на спутнике «Космос-384». В США аналогичный эксперимент проведен на спутнике «Нимбус-5», запущенном в 1972 г.

На советских спутниках были установлены радиометры на длины волн 0,8, 1,35, 3,4 и 8,5 см. Одновременно работали инфракрасные радиометры, регистрирующие излучение в диапазоне 10—12 мкм. Такой выбор диапазо­нов волн диктовался определенными физическими соображениями. Волна 8,5 см не подвержена влиянию гидрометеоров и осадков и поэтому позво­ляет изучать непосредственно радиотепловое излучение поверхности. На распространении радиоволны длиной 3,4 см существенно сказывается влия­ние осадков, поэтому анализ собственного излучения на этой волне позво­ляет обнаруживать их зоны. Волна 1,35 см совпадает с линией поглощения водяного пара и дает возможность определять запас водяного пара в стол­бе воздуха. Интенсивность излучения на волне 0,8 см чувствительна к облакам и позволяет проводить регистрацию облачных зон, устанавливать запас влаги в облаках.

Материалы измерений радиотеплового излучения земных покровов и атмосферы в указанных диапазонах были проанализированы в совокуп­ности. В результате получены данные о распределении температуры по по­верхности океана, распределении зон осадков и запасе воды в облаках, распределении штормовых районов и степени волнения поверхности океа­на, сплоченности льдов вблизи полярных областей, содержании водяного-пара в атмосфере и другие. Приведем несколько примеров.

Широтный разрез радиояркостных температур по измерениям ИСЗ «Космос-243» на волнах 3,4 и 8,5 см показан на рис. 1 (сверху). Видно, что короткая волна более чувствительна к осадкам, зона которых обнару­живается по всплеску радиояркостной температуры около 15° северной широты. Сравнительный анализ позволяет исключить осадки, облака и т. п. и получить в чистом виде термодинамическую температуру поверхно­сти океана. Ее распределение на том же участке Тихого океана представ­лено на том же рисунке (снизу), где данные о температуре океана, полу­ченные из радиометрических измерений на спутнике «Космос-243», срав­ниваются с данными измерений с кораблей и среднеклиматической темпе­ратурой.

Определение запаса воды в глобальных масштабах возможно лишь ра­диометодами. На рис. 2 показано широтное распределение запаса воды в облаках над Тихим, Атлантическим и Индийским океанами на период 24—26 сентября 1968 г., полученное при помощи этих методов.

Радиометоды дают возможность составлять карты сплоченности льдов. Дело в том, что при наблюдении радиоизлучения лед оказывается «теплее» свободной поверхности воды примерно на 100 К. Ввиду относительно ши­роких диаграмм направленности антенн спутника радиометры принимали одновременно излучение и поверхности льда, и свободной поверхности во­ды. Поэтому радиояркостная температура, регистрируемая радиометрами, имела промежуточное значение между температурами воды и льда и была функцией сплоченности льда. Карта сплоченности льдов вблизи берегов Антарктиды, составленная по данным измерений спутника «Космос-243» на волнах 3,4 и 8,5 см, приведена па рис. 3.

Регистрация собственного радиоизлучения морских льдов позволяв! также определять их возраст. Возможность определения возраста льда ос­нована на зависимости возраста от излучательной способности льда, изме­няющейся при прохождении периода таяния, во время которого происхо­дит вытекание рассола и образование воздушных пузырей (рис. 4).

1917-1977

32



Эффективно применение радиометодов для измерения изменения яркостной температуры моря в зависимости от скорости ветра и вызванного им волнения. При малых скоростях ветра при наблюдении в надир яркостная температура почти не меняется. Изменения наступают лишь при скорости ветра примерно 8 м/с (волнение моря около 4 баллов). Связано это с появлением пены, пористость которой делает ее согласующим по­крытием. В результате уменьшается отражение собственного излучения от границы раздела и увеличивается излучательная способность. При наб­людении под наклонными углами яркостная температура повышается и при относительно малом волнении. Это обуславливается тем, что излуча­тельная способность сильно зависит от угла наклона поверхности. Колеба­ния углов наклона поверхности, вызванные волнением, приводят к увели­чению радиояркостной температуры. На рис. 5 приведены обобщенные дан­ные измерений, проведенных с самолетов и спутников.

В последние годы развернуты широкие исследования на самолетах-ла­бораториях. Институт радиотехники и электроники АН СССР располагает четыБЬмя такими самолетами. Самая большая летающая лаборатория соз-



^ Исследование Земли с летательных аппаратов 33


дана на базе самолета ИЛ-18 совместно с промышленностью. Эта лабо­ратория выполняет многоплановые исследования собственного излучения земных покровов в диапазоне 0,8—60 см и собственного излучения атмо­сферы Земли и облачности в диапазонах 0,8—1,35 и 2,25 см. Лаборатория на базе самолета ИЛ-14 оснащена сканирующим радиометром на волне 0,8 см и радиометром на волне
3,4 см.

Периодически используется самолет АН-24, оборудованный радиоло­катором бокового обзора «Торос». С помощью этой аппаратуры проводится зондирование сельскохозяйственных угодий и выявляются признаки, поз­воляющие по радиолокационным изображениям распознавать различные виды сельскохозяйственных культур и их состояние. Радиометрической ап­паратурой на волнах 2,25 и 18 см оборудован самолет АН-2, который при­нимает участие в сборе данных о состоянии влажности почвы на конкрет­ных сельскохозяйственных угодьях.

В Институте радиотехники и электроники проводятся эксперименты по изучению спектров радиоизлучения открытых бассейнов различной со­лености в Средней Азии, Крымской области (Арабатская стрелка, озеро Сиваш), на Каспийском море. В одном из таких экспериментов (Сиваш — Азовское море) установлено изменение яркостной температуры в не­сколько десятков градусов из-за скачка солености от 100% до 15% (рис. 6).

Чувствительность радиометрического метода по определению солено­сти может достигать 1,0 К при изменении степени минерализации на 1 г/л, что позволяет определять минерализацию вод пресных водоемов в преде­лах 0—20%. Решение этой задачи очень важно для рационального исполь­зования водных ресурсов, флоры и фауны водоемов.

При измерении характеристик суши следует иметь в виду, что ди­электрическая проницаемость полностью высушенного грунта меняется

1917-1977

34



от 2 до 3 в зависимости от его плотности. Это показали, в частности, член-корреспондент АН СССР В. С. Троицкий и его сотрудники своими экспе­риментами по определению состава поверхностных слоев Луны на осно­вании данных радиоастрономических наблюдений. Увлажнение грунта за­метно влияет на его характеристики из-за изменения его диэлектрической проницаемости. Электромагнитные свойства грунта в сантиметровом и де­циметровом диапазонах волн определяются в основном величиной объем­ного веса влаги и слабо зависят от других параметров грунта (например плотности). В диапазонах с большей длиной волны, по-видимому, должна сказываться также степень минерализации влаги.

Высказанные соображения указывают на возможность измерять запас влаги в почве на глубинах до нескольких дециметров по интенсивности радиоизлучения почвы и тем самым решить задачу построения карт влаж­ности грунтов с помощью аппаратуры, устанавливаемой на самолетах. Дистанционный контроль влажности грунтов важен для мелиорации, для совершенствования агротехнологии, рационального расходования воды на поливных землях, особенно в условиях засушливых районов Средней Азии и Юга, где лимитирован расход пресной воды и переувлажнение почв вызывает опасность их засоления, а следовательно, и снижения уро­жайности.

Экспериментально установлена зависимость излучательной способ­ности грунта от влажности (рис. 7). Чувствительность радиометрическо­го способа определения влажности составляет 0,1—0,2 г/см3, что вполне достаточно для практических целей. Такие опыты проводились в Крым­ской области на землях колхозов и совхозов Кировского и Ленинского районов. Полученные здесь данные использовались при разработке опе­ративных планов работ на поливных землях.

Проникающая способность радиоволн позволяет не только определять, влажность почв, но и обнаруживать подпочвенные воды. По-видимому, наиболее эффективен метод радиолокационного зондирования. Глубина обнаружения водных линз в зависимости от влажности грунта может до­стигать 200 м. Некоторые возможности открывает также и метод наблю­дений собственного излучения. Соответствующие опыты были проведены

^ Исследование Земли с летательных аппаратов

35

Институтом радиотехники и электроники АН СССР во время полетов в районах Крыма, Средней Азии и Камчатки.

Измерения радиояркостной температуры внешне сухого грунта на раз­личных длинах волн (3 и 30 см) показывают, что с ростом длины радио­волны изучаемый участок становится «холоднее». Причина такого «похо­лодания» в том, что более длинные волны проникают глубже и достигают грунтовых вод (рис. 8).

Описанная методика позволяет обнаруживать не только сами линзы воды, но и вызванные ими области увлажнения.

Большие перспективы открывает применение радиометрической аппа­ратуры для контроля и картирования лесных пожаров. Дым лесных по­жаров дает возможность их обнаружить, но он же скрывает истинные границы зоны возгорания, затрудняя выбор правильной стратегии при проведении противопожарных мероприятий. Наблюдение пожара с по­мощью радиометрической аппаратуры позволяет преодолеть эту труд­ность, так как радиоволны не ослабляются (или мало ослабляются) дымом.



Совсем не простым оказался вопрос о том, в какой части радиодиапазона следует работать для индикации лесных пожаров. Основные излуча­ющие компоненты — пламя, разогретая почва или обуглившиеся деревья. Как показал анализ, излучают главным образом несгоревшие частицы углерода размером от нескольких микронов до сотен микронов с концент-

1917-1977

Ж



В заключение мы хотели бы изложить результаты радиолокационных наблюдений земных покровов. Измерения ведутся радиолокационной стан­цией «Торос» (длина волны 2,5 см), установленной на самолете АН-24. Полоса обзора в радиолокаторе около 15 км при полете на высоте 5 км. Размер элемента разрешения составляет 20X50 м2.

Радиолокационное зондирование позволяет контролировать увлажне­ние почв, заболачивание водоемов, вести инвентаризацию сельскохозяй­ственных культур. Не имея возможности изложить результаты всех иссле­дований, остановимся лишь на радиолокационном зондировании сельско­хозяйственных культур.

Интенсивность обратного рассеяния сигнала определяется рассеиваю­щими и поглощающими свойствами растительного и почвенного покрова. При радиолокации на короткой волне растительный покров играет сущест­венную роль в обратном рассеянии сигнала. Поэтому на свойствах сигнала отражается характер зондируемой растительности. Поскольку изучаемый сигнал имеет случайный характер, необходимо использовать статистиче-



^ Исследование Земли с летательных аппаратов 37


ский подход при выявлении признаков, связывающих свойства рассеянно­го сигнала со свойствами растительного покрова.

Первым таким признаком оказалась корреляционная связь между сред­ней по участку интенсивностью рассеянного сигнала и плотностью био­массы, которая зависит от урожайности. Поэтому можно связать среднюю интенсивность рассеянного сигнала с прогнозируемой урожайностью. Ин­тенсивность рассеянного сигнала и коэффициент корреляции между ин­тенсивностью и биомассой зависят также и от угла скольжения (рис. 9). В радиолокаторе этот угол меняется в пределах 12—32°, и для разных участков местности приходится брать различные весовые коэффициенты массы. Величины этих коэффициентов различны для разных культур и, по-видимому, зависят от фазы развития растений. Все это, естественно, ус­ложняет обработку полученного материала, а для внедрения указанных методов в практику необходима еще большая работа по определению чис­ловых характеристик описанных признаков для разных видов раститель­ности.

Из приведенных примеров видно, что для злаковых растений средняя интенсивность рассеянного сигнала падает с ростом биомассы. Эта тен­денция объясняется тем, что принимаемый сигнал формируется благо­даря объемному рассеянию. С увеличением биомассы увеличивается по­глощение в биоэлементах (стеблях, листьях, колосьях и т. п.), величина эффективного объема рассеяния уменьшается, а с ней уменьшается и средняя интенсивность сигнала.

При радиолокационном зондировании овощных культур эффект мо­жет быть обратным (рис. 10). Здесь интенсивность обратного рассеяния растет с увеличением биомассы. Такое различие, вероятно, обусловлено тем, что из-за сильно развитой структуры листьев рассеяние радиоволн носит поверхностный, а не объемный характер.

1917-1977

38

Мы рассказали о результатах применения дистанционных методов ра­диозондирования в народном хозяйстве. Описанные методы могут исполь­зоваться также для зондирования зон вечной мерзлоты, зон геотермаль­ных источников и в других областях.



В обсуждении научного сообщения Н. А. Арманда и А. Е. Башаринова на засе­дании Президиума Академии наук СССР приняли участие академики Л. М. Бреховских, П. Л. Капица, А. М. Обухов, А. М. Прохоров, член-корреспондент АН СССР А. Ф. Богомолов.

^ Л. М. Бреховских отметил, что заслушанное сообщение представляет большой интерес. Я бы хотел прежде всего, сказал он, обратить внимание на важность дистан­ционных исследований океана. Для того чтобы делать прогноз погоды для суши, необходимо иметь сведения о состоянии океана: температуре, течениях, волнении. Между тем, мировые центры данных ежедневно получают информацию об океане в тысячу раз меньше, чем об атмосфере.

Дистанционное зондирование открывает большие возможности для получения обширной информации об океане. С его помощью можно измерять температуру океана с точностью до 1—2°, получать данные о поверхностных течениях, о волнении, о приповерхностном ветре. Здесь, конечно, нужна еще очень большая работа, так как в методике не все до конца ясно. В частности, не совсем ясно, температуру какого слоя (по толщине) можно определять по измерениям яркостной температуры — мил­лиметрового, сантиметрового или дециметрового?

Не всегда обязательно наблюдать за всем океаном в целом. Сейчас академик Г. И. Марчук развивает идею о том (если ее несколько огрубить), что прогнозировать погоду на два месяца вперед в Европейской части СССР надо по состоянию погоды в данный момент в районе Исландии, а на четыре месяца вперед — в районе Кариб­ского моря. То есть речь идет о выделении эффективных зон в океане и детальном их изучении.

^ А. Ф. Богомолов говорил о необходимости интенсивного развития радиотехниче­ских средств дистанционного зондирования. Это дело требует определенных органи­зационных мероприятий, привлечения больших сил. По мнению А. Ф. Богомолова, в создании таких средств должны принимать участие заинтересованные министер­ства, в частности министерства геологии, сельского хозяйства и др. Он рассказал так­же о разрабатывающихся сейчас антенных устройствах для региональных (респуб­ликанских) центров наблюдений.

^ А. М. Обухов высказал пожелание, чтобы Институт радиотехники и электроники, развивая широкие творческие исследования в области дистанционного зондирования радиофизическими методами, координировал работы, которые ведутся в разных на­правлениях применения этих методов для изучения Земли из космоса.

^ А. М. Прохоров отметил необходимость более тесной связи Института радиотех­ники и электроники с Институтом космических исследований в работах по дистан­ционному зондированию. Это важно для более четкого сопоставления данных, по­лучаемых в радио- и инфракрасном диапазонах.

Подводя итоги обсуждению, президент Академии наук СССР академик А. П. Александров сказал, что работы Института радиотехники и электроники за­служивают всяческого одобрения и поддержки. Он подчеркнул важность поставлен­ного П. Л. Капицей вопроса: можно ли с помощью дистанционного зондирования выяснить, остывает наша планета или нагревается? Это вопрос не просто познава­тельного значения, его нужно решать не для удовлетворения любопытства; речь идет о весьма серьезной, фундаментальной проблеме изучения тенденций изменения климата.

УДК 621.396 + 778.33

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией