Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Морская поверхность 37
1.1 Состав морской воды 37
1.2 Температурный плёночный слой морской поверхности 38
1.3 Поверхностные органические плёнки 40
1.4 Ветровое волнение морской поверхности 41
1.5 Излучательная способность морской поверхности в СВЧ, миллиметровом и ИК диапазонах 44
1.6 Об измерении температуры поверхности океана на метеорологических спутниках 64 Выводы к 1 главе 67
Глава 2. Дистанционное зондирование морской поверхности методами пассивной радиолокации 71
2.1 Обоснование основного уравнения дистанционного СВЧ-зондирования морской поверхности 71
2.2 Теория теплового излучения при крупномасштабном волнении. Средняя яркостная температура собственного излучения взволнованной морской поверхности 80
2.3 Флуктуационные характеристики яркостной температуры взволнованной морской поверхности 87
2.4 Поляризационная структура интенсивности излучения взволнованной морской поверхности. Корреляционные эффекты в среднем значении яркостной температуры взволнованной морской поверхности 89
2.5 Отраженная компонента яркостной температуры взволнованной морской поверхности. Корреляция флуктуаций коэффициента отражения и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу 93
2.6 Корреляционные эффекты флуктуационных характеристик собственного радиоизлучения взволнованной морской поверхности 99
2.7 Антенные калибровки 101
2.8 Измерение средней температуры атмосферы 102
2.9 Измерение радиояркостной температуры излучения моря 104
2.10 Измерение коэффициента отражения морской поверхности 104
Выводы к 2 главе 107
Глава 3. Дистанционная диагностика плёночного слоя морской поверхности в инфракрасном(ИК) диапазоне 109
3.1 Основное уравнение дистанционного зондирования морской поверхности для ИК-диапазона 109
3.2 Измерительный комплекс, метеорологическая ситуация и натурные измерения коэффициента отражения морской поверхности. Лабораторные измерения коэффициента отражения чистой воды 113
3.3 Структура поверхностной пленки морской поверхности по натурным измерениям в ИК-диапазоне, микропузырьковый слой.. 124
3.4 Одновременные натурные измерения коэффициентов отражения, температуры и волнового состояния морской поверхности в ИК-диапазоне методом переменной зеркальной подсветки 129
3.5 Микропузырьковый воздушный слой под пленкой поверхностного натяжения морской поверхности как универсальное образование в структуре морской поверхности холодного пограничного слоя 140
Выводы к 3 главе 161
Глава 4. Измерение отражательной способности и диэлектрической проницаемости воды в пленочном слое морской поверхности в миллиметровом диапазоне 164
4.1 Уравнение для определения коэффициента отражения морской поверхности в натурных условиях в миллиметровом диапазоне 165
4.2 Уравнение для определения коэффициента отражения локально ровной морской поверхности в натурных условиях 169
4.3 Измерение радиояркостной температуры излучения моря и отражательной способности морской поверхности 170
4.4 Определение диэлектрической проницаемости воды в слое, где формируется излучение 175
4.5 Влияние ряби и изменений диэлектрической проницаемости в слое, где формируется излучение, на яркостную температуру морской поверхности 183
Выводы к 4 главе 185
Глава 5. Экспериментальные радиометрические исследования в СВЧ диапазоне 187
5.1 Измерения спектров волнения, балльности и направления главного движения волн, приводной скорости ветра 188
5.2 Корреляционные эффекты в радиоизлучении морской поверхности – в методах дистанционного измерения температурных распределений 191
5.3 Радиационно – ветровые и радиационно – температурные характеристики 193
5.4 Абсолютные измерения интенсивности теплового радиоизлучения и температуры морской поверхности в скин-слое 1.8 мм 198
5.5 Некоторые аспекты влияния неоднородностей оптически прозрачной атмосферы на работу систем дистанционного зондирования 201
Выводы к 5 главе 213
Глава 6. Влияние микропузырькового воздушного слоя под плёнкой поверхностного натяжения морской поверхности на тепловые потоки в системе морская поверхность – атмосфера по одновременным измерениям собственных излучений этих сред в ИК и СВЧ диапазонах 215
6.1 Одновременные натурные измерения излучений морской поверхности и атмосферы в ИК и СВЧ диапазонах. Тепловые потоки в пленочном слое морской поверхности. Роль микропузырькового слоя 216
6.2 Составляющие теплового баланса на границе атмосферы и термической пленки морской поверхности по данным натурных измерений 222 Выводы к 6 главе 224
Заключение 225
Литература
- Ветровое волнение морской поверхности
- Теория теплового излучения при крупномасштабном волнении. Средняя яркостная температура собственного излучения взволнованной морской поверхности
- Структура поверхностной пленки морской поверхности по натурным измерениям в ИК-диапазоне, микропузырьковый слой..
- Измерение радиояркостной температуры излучения моря и отражательной способности морской поверхности
Введение к работе
Актуальность темы
Мировой океан формирует климат нашей планеты. Климат во многом зависит от стабильности теплового баланса между притоком и потерей тепла планетой, осуществляемых лучистым переносом: приток тепла – поглощение планетой приходящего солнечного излучения, потеря тепла планетой – это её уходящее инфракрасное излучение. Большая часть этого процесса приходится на долю поверхности Мирового океана, занимающего 75% поверхности нашей планеты. Поэтому отражательная способность поверхности океана и её изменения непосредственно влияет на приток и потерю тепла и, как следствие, является причиной климатических изменений.
Фундаментальным физическим процессом, определяющим климат, является тепловой баланс между атмосферой и океаном, и для его стабильности весьма важно, чтобы тепловая энергия не накапливалась ни в одной из этих сред. В природе тепловой баланс регулируется обменными процессами переноса тепла и вещества (газов и влаги) через морскую поверхность из атмосферы в океан или из океана в атмосферу. Эффективность обменных процессов в полной мере зависит от экологической чистоты морской поверхности. Парниковый эффект нарушает природный тепловой баланс сред. Вследствие поглощения уходящего излучения парниковыми газами, главным образом углекислым газом, содержание которого в атмосфере непрерывно растёт, и водяным паром, накапливается тепло в атмосфере. Океан является регулятором содержания в атмосфере парниковых газов. Транспортировку углекислого газа из атмосферы через морскую поверхность в глубины океана эффективно осуществляют ряд механизмов (диффузия, микроконвекция, перенос пузырьками), и в силу высокой растворимости углекислого газа в воде океан способен его поглощать в огромных объёмах. Рассмотренные выше фундаментальные физические процессы, формирующие климат: отражательная способность морской поверхности, тепло и газообмен между атмосферой и океаном, регуляция парникового эффекта, осуществляются через морскую поверхность. В этом её исключительная важность для климата и сохранения условий жизни на нашей планете.
В настоящее время почти 20% площади Мирового океана покрыто органическими плёнками биогенного и антропогенного происхождения, последние особенно велики в зонах экономической деятельности человека. Нефть и нефтепродукты представляют основное содержание этого вида поверхностно-активных веществ. ПАВ изменяют диэлектрическую проницаемость поверхностного слоя воды и его отражательную способность, являются преградой для газо и влагообмена между океаном и атмосферой, нарушают динамику поступления энергии от ветра к поверхностным волнам. В этих условиях океан не может в полной мере поддерживать баланс углекислого газа и водяного пара в атмосфере и быть регулятором парникового эффекта.
Актуальность темы исследования определяется тем фактом, что, несмотря на свою важность, физические параметры тонкого верхнего слоя морской поверхности, получившего название плёночного слоя, даже для чистой морской поверхности в натурных условиях изучены недостаточно, а при покрытии поверхностными органическими плёнками практически неизвестны. Причина того – отсутствие методов и приборов для исследования физических процессов в очень тонком (субмиллиметровом) слое взволнованной морской поверхности, граничащем с атмосферой.
Цель работы.
Развитие радиофизических методов и определение параметров и структуры верхнего слоя температурной плёнки морской поверхности и происходящих в ней процессов на основе экспериментальных и теоретических исследований собственного излучения взволнованной морской поверхности.
Научная новизна.
Определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.
-
Создан радиофизический дистанционный метод диагностики пленочного слоя морской поверхности в условиях ветрового волнения по ее собственному уходящему ИК-излучению, который позволил решить проблему одновременного определения в натурных условиях при ветровом волнении отражательной способности и температуры граничного пленочного слоя морской поверхности по данным дистанционных измерений интенсивности излучений морской поверхности и атмосферы в ИК диапазоне. Определена диэлектрическая проницаемость воды в скин-слое ИК-диапазона. Обнаружено, что в натурных условиях диэлектрическая проницаемость пленочного слоя изменчива и меньше величины, полученной для морской воды в лабораторных измерениях, которую используют в стандартных методиках определения температурных полей океана. Полученные данные натурных измерений интерпретированы в модели статистической смеси воды и микропузырьков воздуха (микропузырьковый слой), формирующейся под пленкой поверхностного натяжения, в однородном слое с толщиной скин-слоя порядка 10 мкм, соответствующему скин-слою ИК диапазона в интервале 8…14 мкм. Показано, что одновременные натурные измерения температуры и отражательной способности морской поверхности в натурных условиях дают значения температуры, отличающиеся от температур, полученных при использовании априорных данных о диэлектрических свойствах морской поверхности, что может привести к ошибочным выводам о характере теплообмена между морем и атмосферой.
-
Показано, что отражательная способность морской поверхности в ИК-диапазоне в натурных условиях может быть изменчивой величиной. Расширение объема экспериментальных данных позволило выявить зависимость параметров микропузырькового слоя от состояния водной поверхности и приводной атмосферы и исследовать механизм образования микропузырькового слоя под пленкой поверхностного натяжения морской поверхности. Вода с поверхности, опускаясь вследствие конвекции или волновых движений, попадает в слои с более высокой температурой, что приводит к выделению избытка газа из раствора в виде воздушных микропузырьков, которые всплывают и удерживаются поверхностным давлением под пленкой поверхностного натяжения. В результате натурных измерений собственных излучений атмосферы и морской поверхности в ИК-диапазоне и теоретических исследований установлено, что обнаруженный микропузырьковый воздушный слой является универсальным образованием в структуре морской поверхности холодного пограничного слоя, возникающим в следствие фундаментальных процессов тепло и газообмена на границе атмосфера – морская поверхность.
-
В натурных условиях при умеренном ветровом волнении измерены отражательная способность, диффузный коэффициент отражения из-за рассеяния на волнах ряби, температура и диэлектрическая проницаемость воды в граничном плёночном слое морской поверхности толщиной 0.16 мм по дистанционным измерениям собственных излучений морской поверхности и атмосферы в пятимиллиметровом диапазоне на склоне линии поглощения атмосферного кислорода, отличающиеся повышенной точностью. Результат получен благодаря применению метода, основанного на измерении интенсивности радиоизлучения поверхности при подсветке ее излучением известной, но изменяющейся мощности. В эксперименте такой подсветкой являлось радиоизлучение атмосферы, яркостная температура которой значительно изменяется в зависимости от частоты на склоне полосы поглощения молекулярного кислорода. Обнаружено, что в натурных условиях мнимая часть диэлектрической проницаемости воды в слое 0.2 мм больше величины, обычно принимаемой для воды по стандартным моделям, что может являться следствием уменьшения времени релаксации дипольных молекул воды в 1.5…2 раза в пленочном слое морской поверхности. Уменьшение времени релаксации означает, что в скин-слое толщиной порядка 0.2 мм в верхнем слое температурной пленки морской поверхности вязкость воды уменьшена по сравнению с чистой водой. Через морскую поверхность интенсивно идут обменные процессы между атмосферой и морем, что приводит к значительным концентрациям растворенных атмосферных газов в пленочном слое. Растворение в воде неполярных атмосферных газов уменьшает межмолекулярное взаимодействие, в частности перенос импульса, и динамическая вязкость раствора и, следовательно, время релаксации оказывается меньше, чем в чистой воде.
-
Теоретически и экспериментально исследованы корреляционные зависимости в радиоизлучении взволнованной морской поверхности. Обнаружен эффект подавления флуктуаций радиоизлучения морской поверхности при одновременной регистрации радиояркостной температуры с одного и того же участка поверхности в двух ортогональных направлениях плоскостей поляризации. В результате создаётся выигрыш, на порядок повышающий отношение сигнала к шуму при измерении радиояркостной температуры морской поверхности. Экспериментально подтверждено наличие корреляционных эффектов во флуктуирующем радиоизлучении взволнованной морской поверхности, включая отрицательную корреляцию флуктуаций на поляризационных углах 0,90 и 45,135. Наличие корреляционных эффектов в среднем уровне принимаемого сигнала приводит к тому, что яркостная температура на поляризационном угле y перестаёт быть линейной комбинацией яркостных температур на вертикальной и горизонтальной поляризациях.
-
По одновременным натурным измерения собственных излучений морской поверхности и атмосферы в ИК и СВЧ диапазонах получены температуры в пленочном слое морской поверхности, полный тепловой поток из моря в атмосферу, составляющие теплового баланса потоков на границе и параметры турбулентного теплопереноса в приводном слое атмосферы. Показано, что использование данных лабораторных измерений о диэлектрических свойствах чистой воды в скин-слое ИК-диапазона приводит к ошибочным выводам о величине и направлении теплового потока на границе-море-атмосфера.
Теоретическая и практическая значимость работы
Основой исследований и получения данных об естественных природных состояниях субмиллиметрового плёночного слоя морской поверхности является метод дистанционного измерения отражательной (излучательной) способности морской поверхности в натурных условиях ветрового волнения. Один из главных результатов диссертационной работы - создание физических основ радиофизических дистанционных методов диагностики плёночного слоя морской поверхности по её собственному уходящему излучению в ИК и миллиметровом диапазонах и одновременное определение в натурных условиях температуры и отражательной способности (диэлектрической проницаемости) воды в плёночном слое – величин, определяющих фундаментальные физические процессы.
Температура поверхности является одним из основных параметров, определяющих влаго и теплообмен с атмосферой и потоки уходящего ИК-излучения. Температура морской поверхности может быть точно измерена только по её тепловому излучению в инфракрасном (ИК) и миллиметровом диапазоне дистанционным радиометрическим методом. Это возможно, если известна излучательная способность морской воды в плёночном слое. Поскольку излучательная способность может быть изменчива, то использование любых априорных данных, влечёт за собой ошибки в определении температуры. Разработанные методы измерений излучательной способности позволяют решить эту проблему.
Спутниковые ИК-измерения хорошо определяют контрасты или горизонтальные градиенты в распределении температуры воды на поверхности. Абсолютные величины температур получаются только при привязке (калибровке) спутниковых измерений к значениям температуры воды в нескольких подспутниковых точках на водной поверхности, измеряемой контактными методами с дрейфующих буёв. Термодатчики на дрейфующем буе измеряют температуру воды на глубине от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров, которая отличается от температуры морской поверхности и температуры воды в скин-слое ИК-излучения. В этом состоит неопределённость спутниковых данных и карт температурных полей морской поверхности и их недостаток для решения задач взаимодействия атмосферы и океана. Их удалось бы избежать, если калибровку спутниковых данных проводить по температуре воды, измеренной по ИК-излучению морской поверхности в подспутниковых точках. Поэтому для повышения точности определения температурных полей океана необходима разработка новых методов подспутниковых калибровок, и один из них рассматривается в настоящей работе.
Определена диэлектрическая проницаемость воды в скин-слое ИК-диапазона. Обнаружено, что в натурных условиях диэлектрическая проницаемость пленочного слоя изменчива и меньше величины, полученной для морской воды в лабораторных измерениях, которую используют в стандартных методиках определения температурных полей океана. Полученные данные натурных измерений интерпретированы в модели статистической смеси воды и микропузырьков воздуха (микропузырьковый слой), формирующейся под пленкой поверхностного натяжения, в однородном слое с толщиной скин-слоя порядка 10 мкм, соответствующему скин-слою ИК диапазона в интервале 8…14 мкм. Расширение объема экспериментальных данных позволило исследовать механизм образования микропузырькового слоя под пленкой поверхностного натяжения морской поверхности. Вода с поверхности, опускаясь вследствие конвекции или волновых движений, попадает в слои с более высокой температурой, что приводит к выделению избытка газа из раствора в виде воздушных микропузырьков, которые всплывают и удерживаются поверхностным давлением под пленкой поверхностного натяжения. В результате натурных измерений собственных излучений атмосферы и морской поверхности в ИК-диапазоне и теоретических исследований установлено, что обнаруженный микропузырьковый воздушный слой является универсальным образованием в структуре морской поверхности холодного пограничного слоя, возникающим в следствие фундаментальных процессов тепло и газообмена на границе атмосфера – морская поверхность. Таким образом, микропузырьковый воздушный слой является индикатором интенсивности тепло и газообмена на границе атмосфера – морская поверхность и на этой основе могут быть созданы перспективные технологии мониторинга взаимодействия океана и атмосферы и экологического контроля состояния морской поверхности.
Создание радиофизических методов дистанционной диагностики взволнованной морской поверхности по данным совместных измерений в ИК и СВЧ – диапазонах направлено на исследование фундаментальных физических процессов, определяющих климат, - теплового баланса между атмосферой и океаном. Дистанционные радиофизические измерения температуры воды на двух длинах волн, имеющих существенно различные толщины скин-слоёв, дают возможность измерения температурного градиента внутри термического слоя поверхности океана, характеризуемого линейным изменением температуры. Теплоперенос в этом слое определяется молекулярной теплопроводностью, поэтому по градиенту температуры непосредственно вычисляется полный тепловой поток между атмосферой и поверхностью океана. В проведённой научно-исследовательской работе реализованы прямые эксперименты по дистанционной диагностике тепловых потоков, осуществлённые на длине волны 4 см в радиодиапазоне совместно с ИК-измерениями в диапазоне длин волн 8-14 мкм. В результате были получены составляющие теплового баланса морской поверхности в натурных условиях и характеристики турбулентного переноса тепла и влаги в приводном слое.
Температура воды в скин-слое толщиной 1.8 мм была определена по данным абсолютных измерений интенсивности теплового радиоизлучения морской поверхности в диапазоне СВЧ, на длине волны 4 см. Основной проблемой при дистанционных измерениях температуры является разделение температурных и излучательных эффектов в интенсивности радиоизлучения моря. В результате проведённых в НИРФИ исследований флуктуирующих радиоизлучений взволнованной морской поверхности были обнаружены неизвестные ранее флуктуационно-поляризационные свойства радиоизлучения моря. На этой основе была разработана специальная фазово-поляризационная приёмная радиометрическая система, позволяющая почти полностью исключать влияние крупномасштабного (по сравнению с длиной волны принимаемого излучения) морского волнения на интенсивность радиоизлучения морской поверхности в условиях ветрового волнения. Построенные на этих принципах системы дистанционного зондирования позволят существенно уменьшить помехи связанные с волнением и могут быть установлены на авиационных и космических носителях.
Методология и методы исследования
Результаты, полученные в диссертации, стали возможны благодаря развитию как существующих, так и вновь созданным методам исследований.
Развиты теоретические основы радиометрических измерений температуры и излучательной способности верхнего слоя температурной плёнки морской поверхности в натурных условиях при ветровом волнении. На их основе были созданы методы измерений и радиометрические комплексы в диапазонах СВЧ (4 см), миллиметровом (5 мм) и инфракрасном (8-14 мкм). Повышенная точность измерения радиояркостной температуры морской поверхности и атмосферы была достигнута благодаря оперативным антенным калибровкам с применением абсолютно чёрного диска и отражающих зеркал.
Вновь предложенный метод дистанционного исследования параметров плёночного слоя водной поверхности, использующий корреляционные и поляризационные свойства её собственного теплового излучения. Метод реализован в инфракрасном и миллиметровом диапазонах длин волн. В миллиметровом диапазоне собственное излучение атмосферы на ряде частот 5-мм диапазона, на склоне полосы поглощения молекулярного кислорода, являлось сигналом известной, но изменяющейся мощности, подсвечивающем морскую поверхность. Из-за различия частотной зависимости излучения атмосферы и водной поверхности возможно отделить собственное излучение воды от переотраженного излучения атмосферы. В инфракрасном диапазоне для реализации подсветки морской поверхности сигналом известной, но изменяющейся мощности использована естественная изменчивость атмосферы. В обоих частотных диапазонах при этом были измерены отражательная способность и температура воды в скин-слое с повышенной точностью. Полученные результаты позволяют ставить задачу измерения диэлектрической проницаемости в натурных условиях при ветровом волнении. Предложен и апробирован в натурных условиях метод одновременного измерения коэффициентов отражения, температуры и волнового состояния морской поверхности по измерениям морской поверхности и атмосферы в ИК-диапазоне в широком диапазоне углов (включая пригоризонтные). Для определения дисперсии уклонов морского волнения используется эффект корреляции коэффициента отражения морской поверхности и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу на пригоризонтных углах.
Вновь предложенный метод получения аналитических выражений для статистических характеристик яркостной температуры поверхности с крупномасштабными неровностями. Метод основан на введении локальных координат при вычислении интегралов методом перевала, используется малость величины дисперсии тангенсов углов наклонов поверхности. Получены соотношения для яркостной температуры неровной поверхности, её отраженной компоненты, корреляционной функции и спектра флуктуаций яркостной температуры. Эти соотношения универсальны – величина локального коэффициента излучения в них может описываться не только выражениями для ровной поверхности, но и могут быть учтены мелкомасштабные неровности, изменения диэлектрической проницаемости.
Вновь предложенный метод, на порядок повышающий отношение сигнала к шуму при измерении радиояркостной температуры морской поверхности в натурных условиях морского волнения. Метод основан на теоретических и экспериментальных исследованиях корреляционных зависимостей в радиоизлучении морской поверхности и заключается в эффекте подавления флуктуаций радиоизлучения морской поверхности при одновременной регистрации радиояркостной температуры с одного и того же участка поверхности в двух ортогональных направлениях плоскостей поляризации. На основе исследований флуктуационных свойств радиоизлучений взволнованной морской поверхности также созданы перспективные технологии дистанционного определения балльности морского волнения, приводной скорости ветра, спектров волнения и направления главного движения волн.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментальных исследований диэлектрических, температурных и волновых характеристик взволнованной морской поверхности по натурным измерениям интенсивностей собственных излучений морской поверхности и атмосферы в ИК-диапазоне.
-
Результаты экспериментальных исследований отражательной способности, поправки к ней связанной с рябью, температуры и диэлектрической проницаемости граничного плёночного слоя морской поверхности по дистанционным измерениям излучений морской поверхности и атмосферы в миллиметровом диапазоне.
-
Метод дистанционного исследования параметров плёночного слоя морской поверхности, использующий подсветку поверхности сигналом известной, но изменяющейся мощности. Методы измерений и радиометрические комплексы в диапазонах СВЧ (4 см), миллиметровом (5 мм) и инфракрасном (8-14 мкм).
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований корреляционных эффектов во флуктуирующем радиоизлучении взволнованной морской поверхности.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований радиационно-ветровых и радиационно-температурных характеристик взволнованной морской поверхности.
-
Результаты теоретических исследований некоторых аспектов влияния оптически прозрачной атмосферы на работу систем дистанционного зондирования.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на 13 и 15 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Алма-Ата, 1987), 3 съезде советских океанологов(Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды(Рига,1986), I Всесоюзной школе-симпозиуме по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Москва, 1983), Международной конференции «Математические методы в электромагнитной теории» (Харьков, 1994), Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, посвященном 850-летию города Москвы, столицы России (Москва, 1997), Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001), Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2001), XX, XXII и XIII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002; Ростов-на-Дону – п.Лоо, 2008; Йошкар-Ола, 2011), Четвертой Всероссийской научной школе и конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (Муром, 2009), Всероссийской научно-практической конференции "Космическая радиолокация" (Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А.Арманда) (Муром, 2010), VII и VIII конференциях Волжского регионального центра Ракетно-артиллерийской Российской Академии Наук "Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения" (Саров, 2011; 2013), V Всероссийской научной конференции (II Всероссийские Армандовские чтения) (Муром, 2012), IV Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (III Всероссийские Армандовские чтения) (Муром, 2013).
Результаты, полученные в диссертации, обсуждались на тематических семинарах НИРФИ.
Алгоритмы и программы обработки данных натурных измерений были апробированы и внедрены на экспериментальных установках РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров) и ООО «НИЦ УНПК МФТИ»(г. Долгопрудный).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 39 работ. Из них 16 статей – в рецензируемых отечественных журналах, в том числе 15 – в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 1 статья в научном журнале, включенном в систему научного цитирования (РИНЦ), 23 работы – публикации докдадов в трудах всероссийских, всесоюзных и международных конференций.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач, разработке физических принципов радиометрических методов измерений в ИК, миллиметровом и ИК диапазонах, разработке физических моделей излучающего слоя морской поверхности. Автором предложен метод получения аналитических выражений для статистических характеристик яркостной температуры поверхности с крупномасштабными неровностями. Им разработаны и изготовлены радиометрические комплексы в диапазонах СВЧ (4 см), миллиметровом (5 мм) и инфракрасном (8-14 мкм). Все эксперименты по исследованию собственных излучений взволнованной морской поверхности выполнены лично автором. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для обработки данных натурных измерений и сама обработка также выполнены автором.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и заключения. В работе 205 страниц текста, 41 рисунок, 6 таблиц, библиография включает 139 названия, общий объём работы 254 страниц.
Ветровое волнение морской поверхности
Основой исследований и получения данных об естественных природных состояниях субмиллиметрового плёночного слоя морской поверхности является метод дистанционного измерения отражательной (излучательной) способности морской поверхности в натурных условиях ветрового волнения. Один из главных результатов диссертационной работы - создание физических основ радиофизических дистанционных методов диагностики плёночного слоя морской поверхности по её собственному уходящему излучению в ИК и миллиметровом диапазонах и одновременное определение в натурных условиях температуры и отражательной способности (диэлектрической проницаемости) воды в плёночном слое – величин, определяющих фундаментальные физические процессы.
Температура поверхности является одним из основных параметров, определяющих влаго и теплообмен с атмосферой и потоки уходящего ИК-излучения. Температура морской поверхности может быть точно измерена только по её тепловому излучению в инфракрасном (ИК) и миллиметровом диапазоне дистанционным радиометрическим методом. Это возможно, если известна излучательная способность морской воды в плёночном слое. Поскольку излучательная способность может быть изменчива, то использование любых априорных данных, влечёт за собой ошибки в определении температуры. Разработанные методы измерений излучательной способности позволяют решить эту проблему.
Спутниковые ИК-измерения хорошо определяют контрасты или горизонтальные градиенты в распределении температуры воды на поверхности. Абсолютные величины температур получаются только при привязке (калибровке) спутниковых измерений к значениям температуры воды в нескольких подспутниковых точках на водной поверхности, измеряемой контактными методами с дрейфующих буёв. Термодатчики на дрейфующем буе измеряют температуру воды на глубине от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров, которая отличается от температуры морской поверхности и температуры воды в скин-слое ИК-излучения. В этом состоит неопределённость спутниковых данных и карт температурных полей морской поверхности и их недостаток для решения задач взаимодействия атмосферы и океана. Их удалось бы избежать, если калибровку спутниковых данных проводить по температуре воды, измеренной по ИК-излучению морской поверхности в подспутниковых точках. Поэтому для повышения точности определения температурных полей океана необходима разработка новых методов подспутниковых калибровок, и один из них рассматривается в настоящей работе.
Определена диэлектрическая проницаемость воды в скин-слое ИК-диапазона. Обнаружено, что в натурных условиях диэлектрическая проницаемость пленочного слоя изменчива и меньше величины, полученной для морской воды в лабораторных измерениях, которую используют в стандартных методиках определения температурных полей океана. Полученные данные натурных измерений интерпретированы в модели статистической смеси воды и микропузырьков воздуха (микропузырьковый слой), формирующейся под пленкой поверхностного натяжения, в однородном слое с толщиной скин-слоя порядка 10 мкм, соответствующему скин-слою ИК диапазона в интервале 8…14 мкм. Расширение объема экспериментальных данных позволило исследовать механизм образования микропузырькового слоя под пленкой поверхностного натяжения морской поверхности. Вода с поверхности, опускаясь вследствие конвекции или волновых движений, попадает в слои с более высокой температурой, что приводит к выделению избытка газа из раствора в виде воздушных микропузырьков, которые всплывают и удерживаются поверхностным давлением под пленкой поверхностного натяжения. В результате натурных измерений собственных излучений атмосферы и морской поверхности в ИК-диапазоне и теоретических исследований установлено, что обнаруженный микропузырьковый воздушный слой является универсальным образованием в структуре морской поверхности холодного пограничного слоя, возникающим в следствие фундаментальных процессов тепло и газообмена на границе атмосфера – морская поверхность. Таким образом, микропузырьковый воздушный слой является индикатором интенсивности тепло и газообмена на границе атмосфера – морская поверхность и на этой основе могут быть созданы перспективные технологии мониторинга взаимодействия океана и атмосферы и экологического контроля состояния морской поверхности.
Создание радиофизических методов дистанционной диагностики взволнованной морской поверхности по данным совместных измерений в ИК и СВЧ – диапазонах направлено на исследование фундаментальных физических процессов, определяющих климат, - теплового баланса между атмосферой и океаном. Дистанционные радиофизические измерения температуры воды на двух длинах волн, имеющих существенно различные толщины скин-слоёв, дают возможность измерения температурного градиента внутри термического слоя поверхности океана, характеризуемого линейным изменением температуры. Теплоперенос в этом слое определяется молекулярной теплопроводностью, поэтому по градиенту температуры непосредственно вычисляется полный тепловой поток между атмосферой и поверхностью океана. В проведённой научно-исследовательской работе реализованы прямые эксперименты по дистанционной диагностике тепловых потоков, осуществлённые на длине волны 4 см в радиодиапазоне совместно с ИК-измерениями в диапазоне длин волн 8-14 мкм. В результате были получены составляющие теплового баланса морской поверхности в натурных условиях и характеристики турбулентного переноса тепла и влаги в приводном слое.
Температура воды в скин-слое толщиной 1.8 мм была определена по данным абсолютных измерений интенсивности теплового радиоизлучения морской поверхности в диапазоне СВЧ, на длине волны 4 см. Основной проблемой при дистанционных измерениях температуры является разделение температурных и излучательных эффектов в интенсивности радиоизлучения моря. В результате проведённых в НИРФИ исследований флуктуирующих радиоизлучений взволнованной морской поверхности были обнаружены неизвестные ранее флуктуационно-поляризационные свойства радиоизлучения моря. На этой основе была разработана специальная фазово-поляризационная приёмная радиометрическая система, позволяющая почти полностью исключать влияние крупномасштабного (по сравнению с длиной волны принимаемого излучения) морского волнения на интенсивность радиоизлучения морской поверхности в условиях ветрового волнения. Построенные на этих принципах системы дистанционного зондирования позволят существенно уменьшить помехи связанные с волнением и могут быть установлены на авиационных и космических носителях.
Теория теплового излучения при крупномасштабном волнении. Средняя яркостная температура собственного излучения взволнованной морской поверхности
Соотношения для коэффициентов излучения (18), (24), (27) довольно громоздкие и поддаются анализу только с помощью вычислительных машин. По этой причине большой интерес представляют упрощённые модели, которые позволяют понять характер зависимости результатов от параметров и уяснить физическую картину процесса.
Поэтому в литературе имеются упрощённые модели для яркостной температуры морской поверхности в приближении Кирхгофа [8,26,41,42]. В модели, предложенной А.М.Шутко [8,26,42], в (27) подставлялись приближённые соотношения для коэффициентов излучения Френеля (13), полученные аппроксимацией JВ,Г полиномами по . Полученные формулы удобны для вычислений, но имеют ряд недостатков. Приближённые соотношения получены для поверхности, локальный коэффициент излучения которой описывается формулами Френеля. При учёте мелкомасштабных составляющих волнения аппроксимационные формулы не работают, и необходим численный счёт по формуле (27). Кроме того, так как аппроксимационные соотношения для коэффициентов излучения Френеля получены разложением в ряд вблизи = 0, ошибка аппроксимации увеличивается при увеличении .
Несколько иной подход использован в [41]. Авторы использовали то обстоятельство, что дисперсия углов наклона крупных волн даже в штормовую погоду не превышает 30, т.е. подинтегральное выражение в (27) представляет собой произведение двух функций: плавной и имеющей узкий максимум. Это позволяет вычислить интеграл методом перевала. Достоинством указанного метода является то, что разложение в ряд производится вблизи угла визирования. Однако работа [41] обладает и рядом недостатков. В [41] функция распределения наклонов была усреднена по различным направлениям ветра, вследствие чего азимутальная зависимость у них отсутствует. Кроме того, в коэффициенте излучения поверхности, использованном авторами, не учитывались наклоны площадки перпендикулярно плоскости падения, что привело к различным яркостным температурам для разных поляризаций при наблюдении в надир. В литературе имеется значительное число работ, посвящённых экспериментальному исследованию собственного излучения морской поверхности. Отметим только некоторые из них и более ранние работы. Различными авторами проводились исследования радиационных характеристик взволнованной водной поверхности в лаборатории [6,28,45-49], с берега [49,50,54-56], с платформы в открытом море [57], с корабля [58], с самолёта [33,49,59-61], со спутника [6,60,62-66]. Обзор экспериментальных данных до 1986 г. и подробная библиография содержится в [8]. Обзор и анализ методов определения температуры поверхности океана со спутников методами СВЧ-радиометрии в сантиметровом диапазоне длин волн с обширной библиографией приводится в [67]. Анализ возможностей использования методов СВЧ- и ИК-радиометрии для дистанционной диагностики со спутников потоков тепла в океане содержится в [68].
Эксперименты показали, что в сантиметровом диапазоне длин волн изменение яркостной температуры за счёт мелкомасштабных составляющих волнения не превышает 1-3 K. Максимальное увеличение яркостной температуры, вызванное появлением крутой ряби на гладкой поверхности на сантиметровых волнах составляет около 4 K. Угловая зависимость поправки к яркостной температуре оказалась различной для разных поляризаций. На горизонтальной поляризации AT максимально при наблюдении в надир и монотонно спадает к горизонту. На вертикальной поляризации до углов 40-50 от надира величина AT близка к значению поправки к яркостной температуре на горизонтальной поляризации. Затем AT резко падает, при в 68 меняет знак и достигает -4K на углах в « 70 - 80. Экспериментально обнаружена азимутальная зависимость приращения радиояркостной температуры при наличии ряби на водной поверхности. Максимальное значение приращения яркостной температуры на вертикальной поляризации достигалось при совпадении плоскости электрического поля Е с направлением ветра. Однако в [49] отмечено, что азимутальная зависимость в натурных условиях имела место не во всех экспериментах. Частотная зависимость поправки к яркостной температуре по данным [49] носит степенной характер AT « fa, где а « 0.47.
Поправка к яркостной температуре, вызванная крупномасштабным волнением, имеет довольно сильную угловую зависимость и является превалирующей при скользящих углах наблюдения [8,21,26,42]. Увеличение дисперсии углов наклона крупных волн приводили к уменьшению яркостной температуры на вертикальной поляризации и увеличению на горизонтальной. При углах визирования, не превышающих 50 от надира, эффект влияния крупных волн не превышает нескольких градусов (редко 10 K) [8] и наблюдается в основном, при двумерном характере волнения. В этом случае наблюдается азимутальная зависимость яркостной температуры.
Отметим натурные измерения яркостной температуры взволнованной морской поверхности, проводившиеся ИКИ РАН, на побережье Чёрного моря в районе г. Геленджик, с пирса Южного отделения Института океанологии РАН [54,55]. Использовался набор радиометров и радиометров-поляриметров ИКИ РАН на длины волн 0.5 см, 0.8 см, 1.35 см, 1.5 см, 2 см, 8 см и 18 см. Также использовались радиометры ИРЭ РАН на волнах 0.3 см, 0.5 см и 27 см и радиометр МГУ на 0.8 см. Одновременно проводилось активное зондирование скаттерометром на волне 4 см и двухполяризационным радиолокатором 3 см диапазона.
Структура поверхностной пленки морской поверхности по натурным измерениям в ИК-диапазоне, микропузырьковый слой..
Кроме радиофизических измерений, на пирсе, на высоте 5 м над уровнем моря, одновременно регистрировались метеорологические параметры: температура воздуха, скорость ветра, а также температура воды на глубине 1 м. Измерения проводились в ночное время, чтобы исключить влияние солнечной засветки и прямого солнечного прогрева поверхностной пленки.
Для дистанционной диагностики пленочного слоя морской поверхности был использован метод измерения интенсивности ИК излучения поверхности и ее коэффициента отражения при подсветке распределенным излучением атмосферы известной, но изменяющейся мощности. С этой целью были проведены обширные исследования радиационной температуры ИК излучения летней атмосферы в периоды после захода и до восхода солнца. Были отобраны дни с безоблачной атмосферой и монотонно увеличивающейся к ночи радиационной температурой ИК-излучения. Как правило, наиболее благоприятные условия складывались в ночное время. В интервале от 23 до 3 часов ночи изменения температур воздуха и воды на глубине были минимальными.
Полный цикл измерений ИК-излучения морской поверхности и атмосферы занимал около 20 минут и заключался в последовательном измерении интенсивности ИК-излучения на углах от -60 до +90. На рис. 11 показан пример временного хода температуры ИК-излучения морской поверхности Тм на угле возвышения h = -40 и радиационной температуры атмосферы Тн при h = 40. Как видно из рис. 11 ИК-излучение атмосферы в интервале от 20 до 3 часов выросло почти на 14 градусов и возрастало почти линейно в интервале между 23 и 2 часами ночи. Скорость ветра в ночное время изменялась от 2 до 3.5 118 м/с. Таким образом, метеорологическая ситуация в это время была благоприятна для реализации корреляционного метода определения коэффициентов отражения морской поверхности в ИК-диапазоне.
Метод измерения коэффициента отражения морской поверхности основан на линейной функциональной зависимости между интенсивностями излучений моря и атмосферы, представленной выражением (84). Если за время длительности эксперимента изменяется интенсивность ИК-излучения атмосферы Ін(в), а интенсивность излучения воды в скин-слое Iw и коэффициент отражения остаются постоянными, то совокупность измеренных абсолютных величин интенсивностей излучений 1м(в) и 1н(в)-(в) образуют корреляционную зависимость, наклон которой, как следует из (84) определяет коэффициент отражения морской поверхности в натурных условиях.
Необходимо отметить, что множитель (в) учитывающий корреляцию флуктуаций коэффициента отражения и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу, определяется угловой зависимостью коэффициента отражения, которая в свою очередь, является функцией комплексной диэлектрической проницаемости. При построении регрессионных зависимостей использовались значения вычисленные с использованием измеренных коэффициентов отражения R3KC, пример такой зависимости приведен на рис.8.
Временной масштаб длительности измерений определяется временем естественной изменчивости атмосферы и составляет около 4 часов, в течение которых интенсивность излучения воды в скин-слое может измениться. Учет тренда температуры воды в скин-слое из-за охлаждения в процессе измерений проводился методом последовательных приближений. В нулевом приближении температура воды в скин-слое ИК-излучения считалась равной температуре, измеренной термометром Т1 на глубине 1 м. По корреляции интенсивности излучения моря Ім(б,і) и интенсивности излучения воды Iw(rx,t) проводилось исключение тренда температуры воды.
Полученные значения Iw, измеренные Ін(&) и вычисленные по экспериментальным данным использовались для определения коэффициента отражения и интенсивности излучения в скин-слое Іщ в нулевом приближении. В первом приближении для исключения тренда температуры в скин-слое использовалось уже значение /. Полученные в первом приближении коэффициент отражения и Ixw использовались во втором приближении, где исключение тренда температуры проводилось уже по радиационной температуре ИК-излучения воды. Экспериментальные значения коэффициентов отражения моря RF(X ,в) и RFT(X ,в) - расчетные значения по формуле (81) для коэффициентов отражения в полосе 8... 14 мкм, вычисленные по формулам Френеля с использованием спектральных значений диэлектрической проницаемости воды [16], при температуре теплового ИК-излучения 298 К, приведены в таблице 3. Как видно из рис. 11 температуры излучения моря и атмосферы в период измерений отличались не более чем на 50 К, и соответствующее различие в спектрах излучения несущественно сказывается на результатах расчетов коэффициентов отражения в полосе приемника и позволяет для натурного эксперимента считать X = Х1.
Измерение радиояркостной температуры излучения моря и отражательной способности морской поверхности
Достоинством пассивных систем СВЧ-диапазона является то, что они, в отличие от активных локаторов, способны определять как геометрические, так и температурные характеристики земных покровов, а по сравнению с пассивными системами инфракрасного диапазона их преимущество-всепогодность. Существующие методы пассивного дистанционного зондирования обычно основаны на измерении приращения среднего уровня радиоизлучения моря относительно известных значений для ровной поверхности либо относительно участка поверхности с известными характеристиками (реперной точки). Этот метод недостаточно точен ввиду того, что необходимо выделить контраст на фоне флуктуирующего во времени или пространстве сигнала, а приращение радиоизлучения моря может быть вызвано одновременно несколькими факторами. Однако флуктуации теплового радиоизлучения моря сами являются источником ценной информации о его структуре и характеристиках. В НИРФИ развивается новое направление пассивного дистанционного зондирования океана в СВЧ диапазоне, в основе которого использование фундаментальных свойств излучений взволнованной водной поверхности. Анализ структуры принимаемого сигнала, выявление основных его компонент и механизмов их формирования позволили разработать перспективные микроволновые технологии дистанционного определения балльности морского волнения, приводной скорости ветра, направления главного движения волн и спектров волнения. Обнаруженные, неизвестные ранее свойства радиоизлучений взволнованной морской поверхности, могут быть использованы при создании нового поколения радиофизических приборов для определения температурных распределений на морской поверхности, в том числе при сильном волнении, и глубинной структуры термических плёнок.
С начала 80-х годов в НИРФИ был проведён большой объём исследований собственного излучения взволнованной морской поверхности на волнах сантиметрового диапазона в натурных условиях морского волнения.
Натурные измерения проводились на базе научной станции ФГБНУ НИРФИ "Кара Даг" в Отузском заливе Чёрного моря (Юго-восточный Крым). Радиометрический комплекс, с длиной волны принимаемого излучения 4 см, устанавливался на бетонном пирсе Карадагского природного заповедника, имеющем свайное основание, на расстоянии -50 метров от берега. Пятно облучения на морской поверхности составляло 50см. Калибровка проводилась по излучению неба и "чёрного" диска. Одновременно с радиофизическими измерениями проводилась регистрация скорости ветра, температур воздуха и воды. Измерения проводились при углах возвышения h = -30 н- -40 в широком диапазоне погодных условий: температурах воздуха и воды от 5 до 25С, скоростях ветра достигающих 6-8 м/с, различной ориентации плоскости визирования относительно главного направления движения волн, в разное время года и суток.
Измерения спектров волнения, балльности и направления главного движения волн, приводной скорости ветра[82,119,120,121,122]
Наиболее полной характеристикой состояния морской поверхности является спектр волнения. Соотношения (61,62) позволяют по спектру флуктуаций яркостной температуры моря определять спектральные характеристики морского волнения. Разработанный на этой основе алгоритм восстанавливает спектр уклонов до масштабов пятна усреднения антенны. На рис.35 а) и б) приведены спектр флуктуаций яркостной температуры моря и восстановленный по нему спектр уклонов волнения в плоскости визирования. Азимутальное сканирование позволяет измерить пространственный спектр волнения и определить главное направление движения волн. Низкочастотный спад спектра позволяет определить балльность волнения или приводную скорость ветра.
Существующие методы измерения балльности морского волнения и приводной скорости ветра обычно основаны на измерении приращения средней яркостной температуры моря относительно известных значений для ровной поверхности либо относительно участка поверхности с известной балльностью или скоростью ветра (реперной точки). Этот метод недостаточно точен ввиду того, что, что приращения яркостной температуры моря могут быть вызваны и другими факторами. Спектральные методы основаны на том факте, что положение максимума спектра флуктуаций радиоизлучения моря определяется балльностью морского волнения [123]. Поэтому измеряя частоту максимума спектра флуктуаций яркостной температуры или положение низкочастотного спада в спектре можно получить параметры волнения или скорость ветра. В этом случае не требуется измерять абсолютную величину средней яркостной температуры морской поверхности, и, следовательно, все связанные с этим ошибки не имеют значения.
Натурная апробация дистанционного метода измерения скорости ветра в приводном слое показала хорошее согласие с метеоданными. Сплошная кривая на рис.30б показывает аналитическую зависимость, полученную с помощью этого метода по положению низкочастотного спада в спектре. Скорость ветра, полученная по спектру на рис.30а составила 3.6 м/с, а измеренная анемометром 3.5 м/c. Использованный алгоритм имеет большую точность измерения, чем предложенный в [123] метод измерения балльности морского волнения по частоте максимума спектра флуктуаций яркостной температуры.
