Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиоизлучение системы "океан- атмосфера".
1.1. Основные закономерности формирования радиотеплового излучения системы "океан- атмосфера". Влияние атмосферы.
1.2. Методики расчета радиационных характеристик поверхности океана. Учет фактора поверхностного волнения .
1.3. Излучение внеземного происхождения. 39
1.4. Выводы к главе 1. 45
Глава 2. Теоретическая оценка величины возможного вклада от рассеянного СВЧ излучения Солнца .
2.1. Выбор методики для теоретической оценки величины вклада рассеянного СВЧ радиоизлучения Солнца.
2.2. Использование эмпирических аппроксимаций распределения уклонов крупных волн в расчетах взаимодействия СВЧ-излучения с взволнованной морской поверхностью .
2.3. Солнце как источник радиоизлучения СВЧ- диапазона. 64
2.4. Теоретическая оценка вклада микроволнового излучения Солнца рассеянного на взволнованной поверхности моря.
2.5. Выводы к главе 2. 85
Глава 3. Экспериментальное изучение закономерностей рассеяния СВЧ излучения Солнца с борта океанографической платформы .
3.1. Экспериментальные предпосылки. 86
3.2. Комплекс аппаратуры и методика измерений в экспериментах на борту океанографической платформы МГИ УАН (лето 1990г).
3.3 Характеристики потока СВЧ- излучения Солнца в период измерений.
3.4. Выводы к главе 3. 101
Глава 4. Экспериментальные данные: анализ и сравнение с результатами теоретических расчетов .
4.1. Данные комплексных измерений. 102
4.2. Связь между параметрами поверхностного волнения и значением приводного ветра во время экспериментов .
4.3. Анализ данных по рассеянию СВЧ- радиоизлучения Солнца на взволнованной поверхности моря.
4.4. Выводы к главе 4. 121
Заключение. 123
Список литературы
- Методики расчета радиационных характеристик поверхности океана. Учет фактора поверхностного волнения
- Использование эмпирических аппроксимаций распределения уклонов крупных волн в расчетах взаимодействия СВЧ-излучения с взволнованной морской поверхностью
- Комплекс аппаратуры и методика измерений в экспериментах на борту океанографической платформы МГИ УАН (лето 1990г).
- Связь между параметрами поверхностного волнения и значением приводного ветра во время экспериментов
Методики расчета радиационных характеристик поверхности океана. Учет фактора поверхностного волнения
Следует отметить, что при отсутствии осадков, размеры облачных капель в основном не превосходят 100 мкм [18-20], при том, что максимальный вклад в водность дают капли размером 10+20 мкм, а средний размер капель составляет обычно 4+8 мкм [19-21]. Т.о. условие (1.5) в данном случае выполняется достаточно хорошо. Расчеты, выполненные в [22] для случая гс 20 мкм, показывают, что эффекты рассеяния необходимо учитывать для X короче 3 мм.
Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости пресной воды ес от длины волны Л в радиодиапазоне традиционно определяется по классической релаксационной формуле Дебая [6-15]: =s - +TWb iT7W (1 7) где є0 - оптическая диэлектрическая проницаемость воды, -, - статическая диэлектрическая проницаемость воды, Я5 - критическая длина волны, связанная с временем релаксации молекул воды.
В известной работе В.И. Розенберга [31] выполнена обработка большого массива экспериментальных данных и получены следующие зависимости для є, и Д5 от температуры / (по Цельсию), которые доказали свою справедливость в широком диапазоне температур от -40 до +75"С: є0 = 5.5, s =88.2-0.408854 +0.0008И2 , (1.8) Я5 =1.8735116 -0.0272964 +0.0001362 + 1.4662-ехр(-0.0634) Диэлектрическая проницаемость воды входит не только в выражения для ослабления в атмосфере типа (1.6), но также используется при вычислении радиационных характеристик морской поверхности. Для морской воды помимо температурной зависимости проявляется также зависимость ss, Asv\ є2 от солености S. Такого рода поправки к значениям , Л5\л є2 (1.7) и (1.8) приведены в работах [2,6,53]: es(S) = ss -17.2-S/60, AS(S) = ZS -0.206-S/60, , (1.9) a(S)=10-5-(2.63 + 77.55)-S, 2(S) = ,2+60-cr(S)a, где S - соленость морской воды в промилле (%о), а а - статическая проводимость (мо/см).
Обратимся далее к вопросу молекулярного поглощения в атмосфере. При оценке атмосферного поглощения в молекулах водяного пара НгО и молекулах кислорода Ог весьма важным представляется вопрос выбора модели вертикального строения атмосферы. В данной работе будет использоваться одна из стандартных моделей - "Модель стандартной атмосферы СССР - 1964" [25]. В этой модели, в соответствии с многочисленными наблюдениями, на протяжении всей гомосферы (0 ч- 90 км) молекулярная масса сухого воздуха равна 28.966 и практически не меняется с высотой, т.к. относительная концентрация основных газов (азот, кислород, аргон) остается постоянной и не зависящей от сезонных условий [7,25]. Распределение температуры в тропосфере (0 -т- 11 км) имеет средний градиент около 6.5 град/км, а профили давления и влажности аппроксимируются экспоненциальными функциями: Tanu(h) = Tanu(0)-b-h npuh \\KM, ТопЛЬ) = Топф\км) npuh \\KM, (Л) = /і..(0)ехр(-агя.А), ( ) ЛЛ/0 = Лті,(0)ехр(-/7/ЯвоД где Ъ - 6.5 град/км - высотный градиент температуры в тропосфере, Нвой - характеристическая высота паров воды, Panv - атмосферное давление и Рати - абсолютная влажность. Нш составляет в данной модели 2.1 + 2.3 км, а =0.13 км"1 [7, 23]. В [7,11,24,28-30] показано, что при экспоненциальных профилях влажности и давления для нерезонансных областей можно записать: MM)= (M)exp(-/ /tfe,J У«с, (М) = ЛНс, ((U)exp(-/ /tf ) где Нта, по многим измерениям [7], имеет значение 5.1 -г 5.3 км. Соответственно, в нерезонансных областях для экспоненциальных зависимостей у (А) получаются .простые выражения для полного оо вертикального поглощения г(Д)= \yx(h)dh: о (1.12) Гвод (л) = \Увод {h,X)dh = увод (О, Я) Нвод, о Ткиа W = \Укисп (М) dh = Укисл (ОД) Ягасл. Если реальные профили для водяного пара и кислорода отличаются от экспоненциальных, то получается: же вод вое W= КДМ) = гвоДо,д)-я( о гкисл М = \Укисл (К Л) dh = /«„а, (О, X) Н, же кисл (1.13) где Нэв0% и HJZ,, вообще говоря, не совпадают со значениями Нвод и НКЪС1 из (1.11-1.12).
Вблизи линий резонансных переходов ситуация усложняется и требует детальных квантомеханичёских расчетов, согласованных с экспериментальными данными. В данной работе этот вопрос не рассматривается, однако при необходимости такого рода справочные данные всегда можно получить из оригинальных работ [13-15]. В таблице 1.1.1 приведены сводные данные [7,13] для некоторых длин волн по полному поглощению в зенитном направлении при нормальных атмосферных условиях и влажности /?отц(0) = 7.5 г/м3.
Таблица 1.1.1 Интегральное поглощение в атмосфере. Л, см 0.3 0.6 0.8 1.2 1.35 1.6 2.0 3.0 6.0 10.0 вод неп 0.178 0.019 0.028 0.057 0.11 0.028 0.0093 0.0021 0.0005 0.00007 Ткисл неп 0.062 0.346 0.048 0.02 0.018 0.015 0.012 0.01 0.008 0.0074 А) Расчет поглощения в молекулах кислорода 02. Молекула кислорода Ог в миллиметровом диапазоне имеет комплекс сильных линий, расположенных в окрестности Л 5мм (/-60ГА/) и выделенную одиночную линию на волне Л = 2.53мм (/ = 118.75ГГц) [29,30]. Вне указанных резонансных областей.коэффициент поглощения в кислороде У исл{Щ обусловлен вкладом крыльев линий. В диапазоне волн от 0.7 до 4 см можно использовать приближенную формулу [12,29,30]: r (h) = 0.23-K(A)-iOJ6-PamM(h))2; (h), неп/км (1.14) Г (0) = 0.23-К(Л)-(0.76-Рапіиф))г-Т;"ФІ пепікм где К(Л) - медленно меняющаяся функция от Л, так что К(0.8см) = 0.662, А"(1.35см) = 0.25, #(2.0см) = 0.131, tf(3.0cM) = 0.108 (т.о. в этом диапазоне интерполяция дает К(Л) = 0АЗ-Л 1А, Л измеряется в см). Если использовать интерполяцию по частоте K(f) 0.0525 -ехр(0.068Ь/) , где / измеряется в ГГц, то получается несколько больший диапазон применимости 5 45 ГГц (см. Таб.1.1.1). В указанном диапазоне длин волн (частот) и интервалах температур 250 310 К и давлений 400 + 1100 мбар формула (1.13) дает ошибку в пределах 5% [12,14,29,30]. В) Расчет поглощения в молекулах водяного пара НгО. Поглощение в водяном паре в микроволновом диапазоне обусловлено резонансным поглощением в линиях Л.=1.35 см {f = 22.235 ГГц) и Л = 0.\64см (/ = 183.3 ГГц), а также вкладом крыльев линий, расположенных в субмиллиметровом и ИК-диапазонах [13-15,32].
В "окнах прозрачности" наблюдается превышение экспериментальных данных по поглощению /ва)(КЛ) над теоретическими оценками [13-15]. Для устранения этого расхождения рассматривается возможность дополнительного поглощения за счет димерных молекул водяного пара [32]. При проведении модельных расчетов и решении обратной задачи ДЗ вблизи линии поглощения воды в настоящее время достаточно часто употребляется аппроксимационная формула Баретта и Чанга [24] для поглощения в водяном паре. Её коэффициенты получены из условия наилучшего согласия с экспериментальными данными вблизи резонансной линии поглощения /1=1.35 см:
Использование эмпирических аппроксимаций распределения уклонов крупных волн в расчетах взаимодействия СВЧ-излучения с взволнованной морской поверхностью
В ИК- диапазоне, где коэффициент излучения морской поверхности варьируется достаточно слабо, часто стараются максимально "разогнать" коэффициент усиления аппаратуры и тогда появление отраженного солнечного излучения нередко приводит просто к "зависанию" приемных цепей. Значительные объемы информации подлежат, таким образом, отбраковке. Такие "потерянные" районы могут занимать значительные площади. Например, в отчетах по работе систем AVHRR [110], упоминается о тотальном покрытии солнечным бликом всей площади Средиземного моря, а также, в целом, о значительных районах поверхности океана подлежащих отбраковке по причине солнечного блика при первичной обработке данных спутникового мониторинга.
Так или иначе, в ИК- и, особенно, в оптическом диапазоне, исследования рассеяния солнечного излучения на поверхности моря проводились достаточно долго и в значительном объеме [74]. Необходимо отметить здесь заслуги и фундаментальные труды нашего бывшего соотечественника Мулаамаа [79] и американских ученых Кокса и Манка [67,68]. Однако в основном СВЧ- диапазоне ДЗ САО (от 0.1 до 10 см), такого рода теоретические и экспериментальные исследования имеют лишь отрывочный и часто случайный характер [4,9,113,122]. С точки зрения теории и практики ДЗ САО возможный вклад рассеянного радиоизлучения Солнца сначала часто считался пренебрежимо малым (Кокс). Затем, также довольно часто, на практике (в согласии с используемыми моделями, см. разделы 1.1-1.2) геометрия "солнечного рассеяния" на морской поверхности рассматривалась как своего рода "почти 8- функция" с пренебрежимо малым уровнем бокового рассеяния [9]. Это позволяло считать, что "отбраковке" подлежит только ничтожно малый район вблизи области, где реализуется условие зеркального отражения (в приближении гладкой поверхности). Причем при обработке спутниковых данных такая процедура предполагалась выполняемой "автоматически", по аналогии с появлением аномалии в показаниях при попадании в поле зрения ДНА небольшого острова и т.п. Даже после начала использования в расчетах и на практике разнообразных моделей взволнованной поверхности такого рода подход был преобладающим [9]. Значительную роль, по- видимому, играла и многоплановая сложность рассматриваемого явления. Так, при обработке данных зондирования САО с борта ИСЗ и авиационных носителей, бывает достаточно трудно выделить предполагаемый вклад Солнца в радиояркостную температуру морской поверхности на фоне различных (возможных) эффектов ветрового волнения и присутствия одной или нескольких систем приходящей зыби [113,122]. Особенно это касается миллиметрового и сантиметрового (Л. короче 4 см) диапазонов. В настоящее время, тем не менее, потребности теории и практики ДЗ системы "океан-атмосфера" диктуют, все- таки, настоятельную необходимость выполнения теоретических и экспериментальных исследований этого вопроса, поскольку нахождение ИСЗ в дневной зоне составляет половину потенциального рабочего времени в режиме собственно СВЧ- зондирования. и еще более значительную долю при совместных измерениях с аппаратурой оптического диапазона [10,108,109,115].
В главе 2 будет рассмотрен вопрос построения теоретической модели расчета вклада радиоизлучения Солнца, рассеянного на шероховатостях взволнованной морской поверхности, и, увеличивающего измеряемую антенную температуру ТА бортовых СВЧ- радиометров после попадания в главный лепесток ДНА. В процессе расчетов будут выделены и достаточно подробно рассмотрены основные факторы, влияющие на величину этого вклада и его поляризационные характеристики. В дальнейших главах будет описана методика экспериментальных исследований, приведены примеры, выполнен анализ полученных результатов и предложена уточненная методика расчета радиояркостной температуры системы "океан-атмосфера", учитывающая вклад космических источников и влияние поля шероховатостей поверхностного волнения.
1. Анализ используемых в ДЗ САО методик и массива имеющихся данных показывает, что для качественного улучшения ситуации с точностью восстановления локальных и интегральных значений параметров системы "атмосфера- поверхность океана" (САО) и существенного снижения погрешностей используемых методов СВЧ - дистанционного зондирования необходимо максимально корректно и полно исследовать все факторы, которые способны влиять на величину и поляризационные характеристики измеряемого потока микроволнового излучения.
2. Проведенный анализ показывает, в частности, что в настоящее время не существует корректной методики учета вклада радиоизлучения Солнца в измеряемую антенную температуру бортовых СВЧ- радиометров. Выполненный обзор свидетельствует, также, о том, что данные о связи характеристик области рассеяния микроволнового излучения Солнца и состояния морского волнения отсутствуют, а имеющиеся экспериментальные данные о величине вклада отрывочны и часто случайны. Рассмотрение фактора влияния СВЧ - радиоизлучения Солнца, рассеянного на шероховатостях взволнованной морской поверхности, и возможно, иных внеземных источников, является необходимым моментом совершенствования методики ДЗ САО.
3. Существенным моментом всех современных методик решения прямой и обратной задач ДЗ САО является использование тех или иных модельных представлений о связи параметров поля поверхностных шероховатостей морского волнения и характеристик приводного слоя атмосферы (например, силы и направления ветра на стандартной высоте). Необходимо подробное рассмотрение имеющихся результатов по статистике морского волнения и выработка конкретной технологии использования данных прикладной гидродинамики (океанологии) в радиофизических расчетах взаимодействия СВЧ - излучения с взволнованной поверхностью моря.
Комплекс аппаратуры и методика измерений в экспериментах на борту океанографической платформы МГИ УАН (лето 1990г).
В ИК- диапазоне, где коэффициент излучения морской поверхности варьируется достаточно слабо, часто стараются максимально "разогнать" коэффициент усиления аппаратуры и тогда появление отраженного солнечного излучения нередко приводит просто к "зависанию" приемных цепей. Значительные объемы информации подлежат, таким образом, отбраковке. Такие "потерянные" районы могут занимать значительные площади. Например, в отчетах по работе систем AVHRR [110], упоминается о тотальном покрытии солнечным бликом всей площади Средиземного моря, а также, в целом, о значительных районах поверхности океана подлежащих отбраковке по причине солнечного блика при первичной обработке данных спутникового мониторинга.
Так или иначе, в ИК- и, особенно, в оптическом диапазоне, исследования рассеяния солнечного излучения на поверхности моря проводились достаточно долго и в значительном объеме [74]. Необходимо отметить здесь заслуги и фундаментальные труды нашего бывшего соотечественника Мулаамаа [79] и американских ученых Кокса и Манка [67,68]. Однако в основном СВЧ- диапазоне ДЗ САО (от 0.1 до 10 см), такого рода теоретические и экспериментальные исследования имеют лишь отрывочный и часто случайный характер [4,9,113,122]. С точки зрения теории и практики ДЗ САО возможный вклад рассеянного радиоизлучения Солнца сначала часто считался пренебрежимо малым (Кокс). Затем, также довольно часто, на практике (в согласии с используемыми моделями, см. разделы 1.1-1.2) геометрия "солнечного рассеяния" на морской поверхности рассматривалась как своего рода "почти 8- функция" с пренебрежимо малым уровнем бокового рассеяния [9]. Это позволяло считать, что "отбраковке" подлежит только ничтожно малый район вблизи области, где реализуется условие зеркального отражения (в приближении гладкой поверхности). Причем при обработке спутниковых данных такая процедура предполагалась выполняемой "автоматически", по аналогии с появлением аномалии в показаниях при попадании в поле зрения ДНА небольшого острова и т.п. Даже после начала использования в расчетах и на практике разнообразных моделей взволнованной поверхности такого рода подход был преобладающим [9]. Значительную роль, по- видимому, играла и многоплановая сложность рассматриваемого явления. Так, при обработке данных зондирования САО с борта ИСЗ и авиационных носителей, бывает достаточно трудно выделить предполагаемый вклад Солнца в радиояркостную температуру морской поверхности на фоне различных (возможных) эффектов ветрового волнения и присутствия одной или нескольких систем приходящей зыби [113,122]. Особенно это касается миллиметрового и сантиметрового (Л. короче 4 см) диапазонов. В настоящее время, тем не менее, потребности теории и практики ДЗ системы "океан-атмосфера" диктуют, все- таки, настоятельную необходимость выполнения теоретических и экспериментальных исследований этого вопроса, поскольку нахождение ИСЗ в дневной зоне составляет половину потенциального рабочего времени в режиме собственно СВЧ- зондирования. и еще более значительную долю при совместных измерениях с аппаратурой оптического диапазона [10,108,109,115].
В главе 2 будет рассмотрен вопрос построения теоретической модели расчета вклада радиоизлучения Солнца, рассеянного на шероховатостях взволнованной морской поверхности, и, увеличивающего измеряемую антенную температуру ТА бортовых СВЧ- радиометров после попадания в главный лепесток ДНА. В процессе расчетов будут выделены и достаточно подробно рассмотрены основные факторы, влияющие на величину этого вклада и его поляризационные характеристики. В дальнейших главах будет описана методика экспериментальных исследований, приведены примеры, выполнен анализ полученных результатов и предложена уточненная методика расчета радиояркостной температуры системы "океан-атмосфера", учитывающая вклад космических источников и влияние поля шероховатостей поверхностного волнения. 1. Анализ используемых в ДЗ САО методик и массива имеющихся данных показывает, что для качественного улучшения ситуации с точностью восстановления локальных и интегральных значений параметров системы "атмосфера- поверхность океана" (САО) и существенного снижения погрешностей используемых методов СВЧ - дистанционного зондирования необходимо максимально корректно и полно исследовать все факторы, которые способны влиять на величину и поляризационные характеристики измеряемого потока микроволнового излучения.
2. Проведенный анализ показывает, в частности, что в настоящее время не существует корректной методики учета вклада радиоизлучения Солнца в измеряемую антенную температуру бортовых СВЧ- радиометров. Выполненный обзор свидетельствует, также, о том, что данные о связи характеристик области рассеяния микроволнового излучения Солнца и состояния морского волнения отсутствуют, а имеющиеся экспериментальные данные о величине вклада отрывочны и часто случайны. Рассмотрение фактора влияния СВЧ - радиоизлучения Солнца, рассеянного на шероховатостях взволнованной морской поверхности, и возможно, иных внеземных источников, является необходимым моментом совершенствования методики ДЗ САО.
3. Существенным моментом всех современных методик решения прямой и обратной задач ДЗ САО является использование тех или иных модельных представлений о связи параметров поля поверхностных шероховатостей морского волнения и характеристик приводного слоя атмосферы (например, силы и направления ветра на стандартной высоте). Необходимо подробное рассмотрение имеющихся результатов по статистике морского волнения и выработка конкретной технологии использования данных прикладной гидродинамики (океанологии) в радиофизических расчетах взаимодействия СВЧ - излучения с взволнованной поверхностью моря.
Плотность электронов в солнечной атмосфере убывает с высотой (см. формулу выше), поэтому в микроволновом диапазоне чем больше исследуемая частота /е, тем ближе находится соответствующий критический слой к оптическому диску (фотосфере), а при увеличении длины волны этот слой сдвигается в сторону короны. Основной областью генерации волн субмиллиметрового, миллиметрового и сантиметровых диапазонов является хромосфера. Поток волн метрового диапазона в основном формируется в вышележащих слоях короны. При этом все крупномасштабные возмущения и проявления активности, очевидно, способны давать свой вклад в характеристики интегрального (от светила в целом) потока [93,99-102]. Это значит, что измерения интегрального потока микроволновой радиации Солнца на разных (фиксированных) длинах волн Л дают, в частности, информацию о температуре разных слоев солнечной атмосферы.
Следовательно угловой диаметр, телесный угол и яркостная температура Солнца в радиодиапазоне, наблюдаемые с Земли (с учетом фактора атмосферного ослабления) или радиотелескопами ИСЗ, зависят не только от взаимного положения светила и нашей планеты в течении года и степени активности Солнца, но также от выбора для наблюдения длины волны Л и даже самой формулировки этих понятий. Чтобы избежать возможных неточностей и разночтений, в солнечной радиоастрономии (и вообще в радиоастрономии), в отличие от ДЗ САО, принято оперировать понятием полного потока излучения 5(Д), которое не зависит от такого рода субъективных факторов и в известном смысле, вообще, более "первично" и "эталонно". При этом, конечно, необходимо помнить об (изменении уровня потока, достигающего Земли, благодаря наличию годового эксцентриситета её орбиты в пределах ±3% от значения, приведенного к среднему расстоянию между Землей и Солнцем. Однако, как важное теоретическое и иллюстративное понятие, понятие "радиояркостная температура" используется также достаточно широко. В радиодиапазоне (при hf g.kbT) связь между этими понятиями дается в форме закона Рэлея -Джинса [7,99]: S(A) = QS, (2.14) где И = 6.62-\0 і4дж-сек- постоянная Планка, кь = 1.38-10-23 дж-К х -постоянная Больцмана, видимый угол Солнца Qs измеряется в стерад, Л - в метрах, а 5(Я) - в единицах потока (вт-м 2 -гц). Из приведенной формулы видна обсуждаемая взаимозависимость величин Г5иП5. Очень часто [93,95,99] в различных работах и справочниках используется приведение радиояркостной температуры к оптическому диску, т.е. среднему видимому телесному углу QQ равному 0.223 град2 или 6.8-10"5 стер (см. выше) и одновременно дается размер среднего относительного (к радиусу фотосферы rQ) радиорадиуса г, например в [93]. Во внесолнечной радиоастрономии [95-105], при наблюдении удаленных радиоисточников, работают с плотностями потока порядка 10"26 вт-(м 2-гц). Для практического применения при этом используется единица янский (ян), названная в честь основоположника радиоастрономии Карла Янского: \ян = \0-26вт-(м-2-гц). (2.15) В свою очередь, в практических разделах солнечной радиоастрономии применяется солнечная единица потока (СЕП или s.u., иногда s.f.u.): 1 СЕП = Is.fM. = 1(Г22 вт (м-2 гц). (2.16)
Эксперименты показывают, что, несмотря на возможную круговую поляризацию от отдельных локальных источников, интегральный поток (от всего Солнца) солнечного радиоизлучения в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах практически неполяризован и образуется .как за счет механизмов теплового излучения, так и в значительной мере за счет механизмов нетепловой природы [95-105]. В соответствии с временными характеристиками и источниками генерируемого излучения, принято говорить о следующих компонентах общего потока ЭМ- излучения Солнца в микроволновом радиодиапазоне:
1) "Спокойное" или "невозмущенное" Солнце (background radiation or B-component). Это понятие эволюционировало вместе с развитием знаний о Солнце. Ранее под ним понимали некое идеальное состояние с минимально возможным уровнем излучения Солнца (экстремально низким), который почти достигается в годы минимума активности и является величиной неизменной [100]. В настоящее время Солнце чаще принято считать "невозмущенным" или "спокойным", если на его видимом диске отсутствуют какие- либо активные образования (пятна, фолликулы, поры, волокна и т.д.) [98,99,101,102]. Тогда под уровнем излучения спокойного Солнца понимают интегральное излучение всей поверхности Солнца за вычетом областей повышенной активности (с характерными временами изменчивости от секунд до месяцев). При таком подходе уровень излучения "спокойного Солнца", приведенный # к расстоянию в 1а.е., становится величиной переменной, правда с очень большим периодом - около 11 лет (а также с учетом смены магнитной полярности между полушариями - около 22, и кроме этого присутствует модуляция еще более длительными колебаниями с периодом около 80 лет и т.д.). Иногда, чтобы подчеркнуть суть рассматриваемого понятия, говорят о едином потоке "спокойного Солнца и основного компонента", объединяя таким образом "постоянное" и "квазипостоянное" излучение одной природы - тормозное излучение тепловых электронов от квазиоднородной поверхности диска Солнца вне областей активных образований. На рис.2.3.1 приведен спектр спокойного Солнца в миллиметровой части микроволнового диапазона в минимуме солнечной активности, соответствующий современным представлениям о строении Солнца (см. выше) и полученный в [95,98] из рассмотрения ряда экспериментальных работ.
Связь между параметрами поверхностного волнения и значением приводного ветра во время экспериментов
К концу 80-х годов 20-го века уже имелись отрывочные экспериментальные данные о том, что вклад от СВЧ- радиоизлучения Солнца, рассеянного на шероховатостях взволнованной поверхности моря, способен заметно увеличивать радиояркостную температуру системы "океан- атмосфера" и наблюдаться при этом в условиях волнения в довольно большом угле зрения [4,9,113]. В частности, автором этих строк и его коллегами были получены данные такого рода в процессе летной отработки на борту летающей лаборатории Ил-18 б/н 75423 [122] аппаратуры и методик измерений по проектам "Природа" и "Океан" [108,109]. Однако, специфика такого рода измерений (аналогично ситуации с ИСЗ) не позволяет, как правило, проводить какие-то тестовые количественные измерения при отсутствии калибровочного полигона с хорошей наземной поддержкой. Вне такого полигона невозможно получить эталонные количественные данные и, как правило, возможна только некая качественная оценка. Например, в работе [4] упоминается об оценке величины вклада рассеянного Солнца в диапазоне 3 см, полученной при полетах самолета- лаборатории, приблизительно в 3 К. Это укладывается в рамки оценочных расчетов, выполненных в разделе 2.4. Однако, это все, что можно сказать. Проблема становится яснее, если учесть тот факт, что, вообще, в наиболее используемом в ДЗ САО микроволновом диапазоне 0.8 - 6.0 см величина искомого эффекта при умеренном и сильном волнении должна, по расчетам, измеряться единицами градусов Кельвина на сантиметрах и существенно падать при сдвиге в сторону более коротких радиоволн. Приращение антенной температуры такой величины может объясняться и другими причинами [113], действие которых способно замаскировать или серьезно исказить исследуемый эффект. Кроме этого, необходимо решать достаточно трудный вопрос аккуратного учета фактического состояния поля поверхностного волнения и связи его с величиной приводного ветра. К числу серьезных экспериментальных фактов можно отнести данные, полученные Свифтом в 1974 году, когда при экспериментальном изучении радиотеплового излучения морской поверхности он зарегистрировал увеличение антенной температуры при вхождении солнечного "образа" в поле зрения антенны [9]. Данные были получены для фиксированного положения приемных антенн в диапазонах. 1.41 ГГц (21.28см), 4 ГГц (7.5см), 7.5 ГГц (4см) и представляли собой 2-х часовые записи прохождения отражения Солнца на фоне шумовой дорожки от собственного излучения морской поверхности. В работе [9] приводятся данные по отражению от практически гладкой поверхности и взволнованной (сила ветра 20 узлов, т.е. 10 м/с). Однако, также, как и полученные нами (см. ниже в этом разделе) первичные результаты они не годятся для серьезной проверки расчетов, так как не сопровождаются данными о развитости волнения и фактическом характере поля поверхностных шероховатостей и его временной изменчивости.
Экспериментальное измерение отраженного от морской поверхности радиоизлучения Солнца представляет собой, вообще говоря, вариант так называемой "бистатической шумовой локации", когда "отключение" источника сигнала (радиошума) для записи уровня "неподшумленного" моря просто не представляется возможным. Исходя из сказанного, разумным выбором для получения количественных экспериментальных данных и проверки теоретических расчетов представляется изучение азимутальной и зенитной зависимостей принимаемого отраженного сигнала в режиме "солнечной дорожки", что, в свою очередь, требует использования углов антенны и Солнца достаточно близких к горизонту (не более 40 45 к горизонту для работы с морской платформы или НИС и не более 50 55 к горизонту для работы с борта самолета-носителя в режиме галсирования).
Предварительные эксперименты такого рода по определению вклада отраженного Солнца в режиме "солнечной дорожки" были проведены на морской платформе 40 МГИ АН УССР в апреле и октябре 1989 года. В апреле применялся рабочий макет радиометра Р-600, разработанный в ИРФЭ АН Арм. ССР (Д=6 см) для установки на ИСЗ "Океан" и модуле "Природа" [108,109]. При этом для упрощения сканирования по в и ср использовался только 1 рабочий канал (вертикальная поляризация) в сочетании с полосковой антенной 10х12. В октябре работы проводились с радиометром Р-0,8 (Д=0.8см), рупорная антенна (6х4) которого принимала горизонтально поляризованный сигнал.
В ходе работ выяснилось, что при измерениях необходимо учитывать влияние близкого берега и сооружений платформы, которые могут попадать в ДНА при сканировании. Были обнаружены эффект поверхностного затенения от сдвоенной платформы, который возникает при западных ветрах, превращение «солнечной дорожки» в «пятно» при высоких углах Солнца (более 35 38 к горизонту) и возникновение модуляции сигнала от поверхности крупными волнами при низких углах антенны, когда в поле ее зрения оказывалось 1-2 крупных волны, а время наблюдения было ограничено условиями задачи.
Результаты эксперимента, проведенного в апреле 1989 года, представлены на рис. 3.1.1 и 3.1.2. На рис. 3.1.1 приведена зависимость величины вклада в измеряемую антенную температуру АТАІІПІ от зенитного угла антенны вАит при сканировании «солнечной дорожки». Угол Солнца 0ст при этом "практически фиксирован", возможная анизотропия морской поверхности не учитывается. Кривая 1 - зенитный угол всол=75\ V195M=4+5M/C; кривая 2 - зенитный угол всол=62 , У19ім=7м/с. На рис. 3.1.2 представлена зависимость максимального вклада в антенную температуру дГ от скорости приводного ветра Vl9jM на высоте 19.5 м при зенитном угле Солнца, фиксированном в диапазоне всол 67- -70.
