Введение к работе
Актуальность проблемы
Интенсивное развитие дистанционных радиофизических методов исследования Земли как планеты в последние два десятилетия связано с освоением микроволнового диапазона волн и с возможностями использования результатов зондирования для изучения окружающей среды и метеорологии, физики атмосферы и океанологии, различных областей народного хозяйства. Современный этап развития дистанционных методов зондирования характеризуется широким спектральным диапазоном исследований — от ультрафиолетового до микроволнового.
В системе дистанционных методов зондирования радиофизические методы имеют существенные преимущества, связанные с возможностью оперативного и непрерывного получения информации в любое время суток и практически при любых метеоусловиях. Возможность же осуществления наблюдений с искусственных спутников Земли открывает уникальные перспективы получения глобальных данных о состоянии атмосферы и поверхности земли. Получение аналогичной информации традиционными прямыми методами практически невозможно. Разнообразие процессов взаимодействия радиоизлучения с системой Земля-атмосфера в различных спектральных участках микроволнового диапазона делает возможным определение широкого класса параметров физического состояния атмосферы и поверхности земли.
Радиофизические методы по принципу действия подразделяются на активные (радарные, лазерные) и пассивные (обычно называемые радиометрическими или радиотеплолокационными). Радиометрические методы зондирования основаны на приеме собственного (теплового) излучения среды исследования и на взаимосвязи радиохарактеристик отого излучения (ослабления, интенсивности, поляризации, толщины скин-слоя и т.д.) с физическими параметрами среды.
Особенностью микроволнового излучения земной атмосферы является чувствительность его радиохарактеристик к большому числу физико-химических параметров: температуре, влажности, водности облаков, давлению, газовому составу, турбулентности и т.д. При отом чувствительность радиохарактеристик к изменениям отдельных параметров существенно различны по спектру. Использование нескольких (наиболее чувствительных) спектральных участков СВЧ диапазона дает возможность определения целого ряда физико-химических параметров атмосферы. Пассивными дистанционными методами зондирования определяются такие важные параметры атмосферы, как высотные распределения температуры и влажности, интегральное содержание парообразной и жидкой воды, зоны и интенсивность осадков, содержание некоторых примесных газов. В нашей стране существенный вклад в развитие отих работ внесли сотрудники ИРЭ РАН, ИФА РАН, ИКИ РАН, ИПФ РАН, ГГО, ЦАО, НИРФИ.
Вместе с тем, несмотря на достижения в отой области, оставались не исследованы вопросы связи радиохарактеристик излучения с температурой и турбулентностью наиболее динамичного пограничного слоя атмосферы, возможности и методы его пассивного температурно-ветрового зондирования при различных состояниях, не решены, в экспериментальном плане, вопросы термического зондирования стратосферы и комплексного определения основных метеопараметров тропосферы. Отсутствовали работы по исследованию взаимосвязи характеристик радиоизлучения атмосферы с давлением и методы его дистанционного определения с аэрокосмическлх носителей. Оставались слабо исследованы методы радиометрической индикации волновых процессов в атмосфере и их связь с радиохарактеристиками излучения в различных спектральных диапазонах не решены задачи определения параметров этих процессов.
Основные цели работы
-
Проведение теоретических и экспериментальных исследова нии спектральных и угловых особенностей взаимосвязи радиохарак теристик СВЧ излучения атмосферы с температурой, давлением, ве тром, турбулентностью и волновыми процессами типа внутреннго гравитационных волн (ВГВ).
-
Разработка физических основ и СВЧ радиометрических ме тодов дистанционного определения профилей температуры и скоро сти ветра пограничного слоя атмосферы, приземного давления, па
раметров атмосферных волновых процессов.
3. Проведение экспериментальных радиометрических исследований указанных параметров в различных географических районах и при различных синоптических ситуациях с целью обоснования применимости разработанных методов и определения их точностных характеристик,
Основные положения, выносимые на оащиту
-
Развиты спектральные радиометрические методы комплексного определения основных параметров тропосферы: профиля температуры, интегральных параметров влаго- и водосодержання, эффективной высоты облаков. Создана, на основе теоретических и экспериментальных исследований характеристик микроволнового излучения атмосферы, единая концепция термического (температурного) зондирования атмосферы от поверхности земли, включая пограничный слой, до стратосферных высот.
-
Физические принципы пассивного дистанционного зондирования в условиях сильно поглощающей среды, и радиометрический метод термического (зондирования пограничного слоя атмосферы по его собственному излучению в максимуме полосы поглощения кислорода Оз v — 60 ГГц, позволяющий восстанавливать профиль температуры до высот Л 500 м с точностью ~ 0,5 К и разрешением по высоте от 50 до 100 м "Практически при любых метеоусловиях, исключая дожди средней и сильной интенсивности.
-
Обнаружены и исследованы флуктуации радиоизлучения атмосферы на и = 60 ГГц, обусловленные температурной турбулентностью. Метод пассивного дистанционного определения профиля скорости и направления ветра в пограничном слое атмосферы, основанный на радиометрической нпдикации в линии поглощения Oj А 5 мм ветрового переноса турбулентных флуктуации температуры »ірн пространственно разнесенном приеме.
4. Результаты исследований восходящего радиоизлучения си
стемы атмосфера-океан в полосах поглощения кислорода А 5 мм и А
2,5 мм, свидетельствующие о том, что радиохарактеристики этого
излучения на склонах линий поглощения (в диапазонах частот, где
оптическая толщина г = 1), обусловлены, главным образом, давле
нием и практически не зависят от температуры атмосферы, степени
взволнованности и температуры морской поверхности. Физические основы и метод дистанционного радиометрического определения атмосферного давления с аэрокосмическнх носителей по восходящему излучению системы атмосфера-океан на склонах линий поглощения кислорода. Реоультаты дистанционных радиометрических исследований на волне А = 6 мм поля приземного давления над морской акваторией с борта самолета.
5. Радиометрический метод индикации внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере при наличии облачности или тумана по собственному СВЧ излучению капельной фракции воды при ее фазовом переходе в парообраоное состояние (и наоборот) в процессе адиабатических колебаний воздушной массы, захваченной ВГВ. Результаты обнаружения периодических колебаний интенсивности радиоизлучения ясной атмосферы на А 5 мм и облачности и туманов на А 3 мм л А 2,3 мм, вызванные; ВГВ. Метод и результаты определения параметров ВГВ по данным спектрального радиометрического зондирования на А 5 мм и одночастотным на А 3 мм и А 2,3 мм.
Научная новизна работы
-
Осуществлен общий подход к задаче спектрального и углового термического зондирования атмосферы (от приземных слоев до стратосферы) на основании анализа вариаций и уровней формирования излучения.
-
Развиты и экспериментально апробированы спектральные радиометрические методы комплексного определения основных параметров тропосферы: профилей температуры и влажности, влаго-и водосодержанчя, эффективной высоты облаков.
-
Предложен, разработан и экспериментально проверен радиометрический метод дистанционного определения профилен температуры и скорости ветра в пограничном слое атмосферы с поверхности
земли.
4. Разработаны физические основы, предложен и эксперимен
тально проверен радиометрический метод определения приземного
давления с аэрокосмических носителей.
5. Предложены и подтверждены в экспериментах радиометриче-
ские методы индикации внутренних гравитационных волн и определения их основных параметров.
6. Выполнены исследования флуктуации собственного радиоизлучения атмосфери, обусловленных температурной турбулентностью и давлением в наиболее информативных участках микроволнового спектра.
Практическое значение и реализация реоультптол работы
Полученные в диссертации теоретические, методические II DKC-периментальные результаты имеют практическое значение как для радиофизики (развитие радиофизических методов исследования окружающей среды, исследование собственного микроволнового излучения атмосферы), так и в геофизическом аспекте (получение информации о термическом режиме, давлении, скорости ветра, влаго-и водозапасе атмосферы и динамических процессах, пр ^исходящих в ней). Оперативное и непрерывное получение указанных параметров необходимо для решения задач мониторинга окружающей среды, краткосрочного прогноза погоды, прогнозирования условии накопления, переноса и турбулентной диффузии вредных атмосферных загрязнений, прогноз опасных метеорологических явлении.
Все основные результаты диссертации были подтверждены в поставленных автором экспериментах, выводы которых использовались при практическом применении результатов диссертационной работы организациями Госкомгндромета.
-
Развитые в диссертации радиометрические методы комплексного зондирования атмосферы использовались на практике для исследований параметров тропической атмосферы в энергетически активных зонах мирового океана для изучения условий зарождения и развития тропических циклов. Исследования проводились с борта ШІС "Академик Королев" (в рамках международных программ "Тайфун").
-
Радиометрический метод температурно-ветрового зондирования погранслоя атмосферы применялся для зондирования параметров атмосферы при работах по метеорологическому обоснованию выбора площадок для строительства крупных индустриальных объектов на Кольском полуострове и Дальнем Востоке (в рамках требований МАГАТЭ).
/
3. Опытная установка дистанционного зондирования ногран-
слоя использовалась (и используется в настоящее время) в одном из
алмазных карьеров Якутии для решения задачи прогнозирования
условий загрязнения карьера вредными газовыми примесями.
4. Высокую надежность и точность метода термического зонди
рования атмосферы (включая погранслой) показали результаты со
вместных российско-американских экспериментов по комплексному
радиометрическому, радиоакустическому и контактному зондирова
нию атмосферы в аэропорту г.Денвера, США (под эгидой Нацио
нального управления по исследованиям океана и атмосферы США).
Результаты диссертационной работы использовались при проведении госбюджетных и хоздоговорных НИР.
Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации положений можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в радиофизике: дистанционное зондирование окружающей среды радиофизическими методами.
Апробация результатов
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на XV (Алма-Ата, 1987), XVI (Харьков, 1990) и XVII (Ульяновск, 1993) Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, на VI (Таллин, 1982) и VII (Суздаль, 1986) Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на I (Москва, 1982), II (Фрунзе, 1986), IV (Горький, 1991) Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере, на Всесоюзных конференциях "Статистические методы обработки "данных дистанционного зондирования окружающей среды (Минск, 1983, Рига, 1986, Минск, 1989), на I (Ереван, 1990) и II (Муром, 1992) Всесоюз: ных конференциях "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды", на Всесоюзной школе "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды" (Барнаул, 1991), на Всесоюзном совещании по рефракции олзктромагнитных волн в атмосфере (Томск, 1983), на Международных конференциях: XX Генеральной Ассамблее URSI (Вашингтон, США, 1981), Симпозиуме по тропической метеорологии (Ялта, 1934), ХХШ Генеральной Ассамблее URSI (Прага, Чехословакия, 1990), конференции "Микроволновая радиометрия и дистанционное зондирование" (Боулдер, США, 1992, Рим, Италия, 1994), XIV Генеральной Ассамблее УРСИ (Киото, Япония, 1993).
Результаты, полученные в диссертации, систематически обсуждались на семинарах НИРФИ и других научных организаций страны.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 42 печатных работах и трудах конференций.
В диссертацию вошли результаты, полученные автором в период с 1980 по 1993 гг.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В ней содержится 193 страницы текста, 70 рисунков, 16 таблиц. Библиография включает 225 названий.
Деление диссертации на главы соответствует тематике исследований, выполненных при решении указанных выше задач.
