Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев

Актуальность темы

.

Успешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности с помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (JIA): 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 JIA, 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» [3,29]. 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 [31,32]. 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:

1. Впервые получены оценки поляризации альбедо и яркости ой температуры атмосферы в процессе выпадения осадков при наклонном зондировании из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что при надирных углах наблюдений 50−60° разность яркостной температуры Земли на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы градусов Кельвина (К).

2. Проведен анализ зависимостей 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры Земли от угла наблюдения и интенсивности выпадения осадков.

3. Показана возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков из космоса при условии существенного повышения пространственного разрешения бортовых СВЧ радиометров (порядка 1 км).

4. 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:

1. 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.

2. 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.

3. Анализ влияния подстилающей поверхности (суша и море) на коэффициент поляризации яркостной температуры Земли.

4. 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:

1. 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.

2. 50-я юбилейная научная конференция Московского физико-технического института 23 — 27 ноября 2007 г. Москва.

3. LXIII Научная сессия, посвященная дню радио (Посвящается 100-летию со дня рождения академика В.А. Котельникова) 14−15 мая 2008 г., Москва.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. В ней содержится 97 страниц, включая 37 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 75 названий.

В диссертации получены следующие основные результаты.1. Разработан и реализован алгоритм расчета поляризационной составляющей яркостной температуры уходящего излучения Земли в микроволновом диапазоне длин при наличии осадков. Он основан на использовании имеющихся данных о различии в этом диапазоне длин волн ослабления в дожде на вертикальной и горизонтальной поляризациях за счет сплющивания крупных капель при падении их в воздухе, а также на представлениях об атмосфере как одномерной рассеивающей среде. Это позволило применить для решения интегро-дифференциального уравнения переноса излучения в атмосфере метод В. А. Амбарцумяна и существенно упростить расчет без значительной потери точности.2. Получены оценки альбедо (многократное рассеяние) и поляризации микроволнового излучения слоя дождя при наклонном зондировании из космоса. Показано, что разность яркостной температуры (2-ая компонента вектора Стокса) на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы К. Указанная величина зависит от длины волны, угла наблюдения и интенсивности осадков.3. Теоретически проанализированы характеристики миллиметрового излучения системы «атмосфера-подстилающая поверхность» при наблюдении над сушей и морем. Над сушей в зависимости от угла наблюдения с ростом интенсивности осадков от 1 до 100 мм/час происходит монотонный спад яркостной температуры. Из-за сильного ослабления миллиметрового излучения в слое дождя при интенсивностях осадков I > 10 мм/час яркостная температура не зависит от свойств поверхности. Различие поляризационной составляющей излучения над сушей и морем наблюдается на длине волны 8 мм при интенсивностях осадков I < 5 мм/час.4. Проведен расчет микроволнового излучения системы «лес-почва» при наличии выпавших осадков на кронах деревьев. Показано существенное изменение радиационных характеристик растительности (диэлектрическая проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо, яркостная температура) лесного полога под воздействием осадков в миллиметровом диапазоне длин волн. Капли дождя на кронах деревьев значительно меняют коэффициенты пропускания и рассеяния растительностияркостная температура мокрого и сухого леса может отличаться на величину до 40 К на миллиметровых волнах. Результаты моделирования указывают на необходимость учета осажденной воды на деревьях при дистанционном зондировании леса и в задачах распространения радиоволн через лесной массив.5. Показано, что для того чтобы использовать поляризационный эффект при интерпретации спутниковых данных необходимо существенно повысить пространственную разрешающую способность бортовых СВЧ радиометров, которая в настоящее время составляет примерно 15 км. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Необходимо создать прибор с пространственным разрешением порядка 1 км, что значительно меньше размера ячейки дождя, при чувствительности 0.3−0.5 К. При этих условиях может быть успешно измерена вторая компонента вектора Стокса яркостнои температуры и использована для исследования зон выпадения осадков.