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.