Радиоволновой экологический мониторинг

Электромагнитные колебания — это взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Я) полей, составляющих единое электромагнитное поле (см. параграф 10.4). Радиоволны — электромагнитные колебания с длиной волны X от 0,1 мм до нескольких десятков километров (частотой/от нескольких герц до 310¹² Гц), используемые для радиосвязи.

Дистанционное СВЧ зондирование земного покрова, атмосферы и акваторий основано на регистрации собственного или отраженного и рассеянного электромагнитного излучения.

Основная специфика радиоволновой диагностики связана с большой радионрозрачностыо атмосферы. В этом состоит одно из ее преимуществ по сравнению с оптическими и ИК-методами. Преимуществом является также ее всепогодность. Конечно, и при использовании этого метода есть ограничения, например на длине волны 1,35 см имеется линия поглощения паров воды, а в диапазоне 0,5 см — полоса поглощения кислорода.

Радиоволны могут проникать под полог растительного покрова и в глубину почвенного слоя. Поэтому использование радиоволновых методов экодиагностики позволяет оценивать состояние растительности и почвы и определять многие другие их характеристики. Спектр прикладных задач, решаемых радиоволновыми методами, также включает исследование морских экосистем, арктических и антарктических льдов, тектонической активности и многие другие направления в изучении ОС.

Радиоволновое зондирование основано на активном (радиолокация) и пассивном (регистрация собственного излучения) методах. Активная форма характерна для методов радиопросвечивания атмосферы. Пассивные же методы основаны на СВЧ-радиометрии. Наличие в СВЧ-диапазоне областей резонансного поглощения позволяет проводить дистанционное определение метеорологических параметров атмосферы: вертикальные профили температуры и влажности, полную массу водяного пара и водозапас облаков, интенсивность дождя и др. Возможность получения информации не только о характеристиках водной и земной поверхностей, но и об их глубинных характеристиках зависит от выбора диапазона радиоволн.

Электромагнитные волны сильно поглощаются земной и водной поверхностями. Глубина их проникновения в водную среду варьируется от сотых долей до единиц миллиметров. В то же время в сухих грунтах, материковых льдах и сухом снеге эта величина может достигать нескольких длин волн. Проникающая способность радиоволн дает преимущество при зондировании земных покровов. Неплотная растительность (трава, злаки и т. п.) в основном слабо поглощает радиоволны, поэтому можно проводить сквозь нее радионаблюдение почвенных покровов. Радиоволны могут проникать в грунт на глубину порядка 1 м.

Основной недостаток метода состоит в сравнительно низкой пространственной разрешающей способности по сравнению с оптическим диапазоном.

В дистанционном зондировании (мониторинге) в основном используют следующие типы радиолокаторов:

• • скаттерометры — приборы, предназначенные для измерения мощности обратно рассеянного радиоизлучения (рис. В.4, а). С их помощью определяют скорость и направление ветра (рис. В.4, б), плотность биомассы, растительного покрова и т. д.;
• • альтиметры — приборы для измерения времени прихода отраженных от поверхности радиоимпульсов. С их помощью оценивают параметры топографии суши и волнения водной поверхности. Спутниковый альтиметр работает на частотах 5,3 и 13,6 ГГц, он измеряет уровень океана, высоту волн и скорость ветра;
• • радиолокаторы подповерхностного зондирования, предназначенные для измерения времени прихода импульсов, отраженных от границ слоя грунта. Они позволяют оценивать толщину ледового покрытия и многое другое;
• • радиолокаторы бокового обзора и радиолокаторы с синтезированной апертурой для изучения радиоизображений земной поверхности (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Мониторинг поверхности локатором бокового обзора:

а — ледовая обстановка в Азовском море; б — локатор бокового обзора межпланетной станции «Венера-15»; в — вид горы Максвелла на Венере (1983 г.).

Любые технические средства сбора данных об ОС позволяют получать отрывочную по времени и фрагментарную по пространству информацию. В частности, радиоволновые приборы на самолетах и спутниках поставляют ряды данных, которые географически привязаны к трассам полета. Восстановление информации в межтрассовом пространстве возможно лишь с помощью методов пространственно-временной интерполяции.

Мониторинг земного покрова. Дистанционный мониторинг Земли направлен на оценку биологической продуктивности, понимание взаимодействий в системе «почва — растение — атмосфера», на расчет динамики биомов, на моделирование биогеохимических циклов с учетом роли растительности и на управление растительными ресурсами.

На рис. В.5 показаны результата спутникового мониторинга территории Дальнего Востока.

Основной задачей спутниковых наблюдений за лесом является глобальное картирование растительности в масштабе, определяемом хозяйственными потребностями данного региона. Спутниковый радиолокатор с синтезированной апертурой имеет разрешение 10—15 м и позволяет определять типы почвенно-растительных формаций, а многоканальный локатор с разрешением около 2 м распознает хвойные и лиственные леса, а также кустарники.

Спутниковые (рис. В.6) и самолетные (рис. В.7) системы наблюдения за лесными пожарами позволяют:

• • оперативно оценить степень пожарной опасности леса;
• • определять контуры лесных пожаров через слои дыма и древостоя;
• • картировать обводненность лесных массивов;
• • определять энергетические параметры пожара;
• • определять послепожарное состояние лесов.

Почвенная вода делится на прочносвязанную, рыхлосвязанную и свободную. Наиболее информативными для распознавания влаги в почве являются длины волн 2,25, 18 и 30 см.

В табл. 10.1—10.3 приведены значения яркостных температур для земных покровов, коэффициенты излучения некоторых природных и антропогенных реперов, а также коэффициенты отражения волн СВЧ-диапазона от почвы с различной влажностью.

Таблица 10.1

Значения диапазона яркостных температур

Таблица 10.2

Коэффициенты излучения некоторых природных и антропогенных реперов.

Таблица 10.3

Коэффициенты отражения волн СВЧ-диапазона от почвы.

Мониторинг водных систем. Формирование радиотеплового поля излучения океана в СВЧ-диапазоне зависит от солености и температуры воды, взволнованности поверхности, концентрации хлорофилла и других компонентов океанской среды. Дистанционная диагностика этого поля требует также учета таких факторов, как испарение, осадки, ценообразование, облачность, вариации интенсивностей прямой и отраженной солнечной радиации. Поэтому организация дистанционного мониторинга океана представляет собой сложную задачу.

Дистанционное зондирование загрязнений водных систем позволяет:

• • обнаружить и картировать загрязнение;
• • определить толщину пленки загрязнения;
• • определить возраст пленки;
• • установить сорт пролитого нефтепродукта или другого загрязнителя.

На рис. В.8 показаны разливы нефти вблизи морских портов на Черном море.

Мониторинг атмосферы. Роль радиоволновой диагностики состоит в расширении функции систем мониторинга атмосферы. Поскольку для многих частот радиоволн атмосфера почти прозрачна, применение радиоволн оказывается неэффективным. Исследования показали, что радиоволновые методы исследования атмосферы проигрывают оптическим, но становятся незаменимыми при контроле обширных территорий.

Применение радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов является единственным методом, позволяющим получать из космоса информацию о параметрах осадков в глобальном масштабе. Это связано с тем, что радиоволны относительно слабо взаимодействуют с частицами облаков, пыли, молекулами атмосферных газов, а их взаимодействие с каплями дождя носит резонансный характер и выражается в интенсивном поглощении и рассеянии энергии волн.

На рис. В.9 показаны два снимка атмосферы Юпитера. Юпитер — пятая планета нашей системы, расстояние до Солнца — 778,3 млн км, диаметр — 141 700 км, масса — 1,90−10²⁷ кг, имеет 14 спутников. Состав атмосферы Юпитера: Н₂, СН₄, NH₃, Не и др. Юпитер — мощный источник теплового радиоизлучения, обладает сильным радиационным поясом и обширной магнитосферой. Его турбулентные облака постоянно меняются из-за возмущений в атмосфере во время своего плавания вокруг планеты на огромных скоростях до нескольких сотен километров в час.