Тема
ОКЕАН Физические
основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в
микроволновом диапазоне.
(Гос. Регистрация № 01.20.0200163)
Научный руководитель д.ф.-м.н.,
профессор Е. А.Шарков.
Научные исследования настоящей темы (Гос. Регистрация № 01.20.0200163) проводятся в соответствии с п. 6.18 и 1.4.8 «Основных направлений фундаментальных исследований РАН» (постановление Президиума РАН от 1 июля 2003 г.), а также в соответствии с Программами фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека» (ОФН‑14) и «Проблем радиофизики» (ОФН‑13).
В соответствии с решением Отделения
физических наук РАН на отдел «Исследование Земли из космоса» ИКИ РАН (отдел 55)
была возложено выполнение двух проектов: по Программе фундаментальных
исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и
человека» (ОФН‑14) проекта «Радиоэлектронные дистанционные
активно-пассивные методы в исследованиях окружающей среды шельфовой зоны
окраинных морей РФ» и по Программе фундаментальных исследований РАН «Проблем
радиофизики» (ОФН‑13)
проекта «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного волнения
и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования». Отдел
также проводил научные работы по конкурсам инициативных проектов, экспедиционных
работ и ориентированным фундаментальным исследованиям РФФИ: проекты № 06-05-64276, 06-05-64600, 06-05-65177, 05-02-16384, 06-02-31016к, 05-05-08033 офи-а, 06-05-08072-офи, 05-05-64451, а также по грантам международных
организаций INTAS 03-51-4987, INTAS 03-51-4789, the European communities Contract number 022868 и по Программе «Перспектива»
(ИКИ РАН).
Космическое
дистанционное зондирование акваторий Мирового океана
(пункты плана
научно-исследовательских работ 2007 г. № 4.2.1, 4.2.2, 4.2.7)
Проведено исследование формирования, развития и перемещения вихрей малого масштаба (до 20 км в диаметре) в северо-восточной части Черного моря на основе данных спутниковой радиолокации морской поверхности. Проанализированы зависимости влияния меандрирования Основного черноморского течения (ОЧТ) и атмосферных процессов на состояние вихревой активности в районе интереса. Показано, что на радиолокационных изображениях (РЛИ) выявляются в первую очередь циклонические вихри, которые образуются при распаде мезомасштабных прибрежных антициклонических вихрей.
С помощью акустического профилографа ADCP “Rio Grande 600 kHz” проведены исследования изменчивости течений в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря, обусловленной прохождением над шельфом антициклонического вихря. Одновременно проводились наблюдения за распространением и развитием вихря по радиолокационным спутниковым снимкам. Измерение течений проводилось на разрезах, имевших протяженность от берега до края шельфа и ориентированных перпендикулярно береговой черте. Разрезы данных скорости течений проводились с суточной периодичностью и дополнялись CTD-зондированиями. Детально прослежен весь цикл изменения прибрежного течения, вызываемого проходящим вихрем - поворот течения на берег, течение параллельно берегу навстречу ОЧТ, поворот течения от берега в море, течение параллельно берегу, совпадающее с направлением ОЧТ. Скорость осредненного потока в вихре навстречу ОЧТ достигала 0,25 м/с. Отмечено спадание скорости потока от периферии вихря к центру. Выявлен, инициированный вихрем, значительный ход термоклина по вертикали и другие особенности.
1. Lavrova O., Mityagina M.,
Bocharova T., Gade M. Multisensor observation of eddies and mesoscale features in coastal
zones. Remote Sensing of the
2. Lavrova O.Yu., Mityagina M.I.
Multisensor observation of eddies and mesoscale features in coastal zones //
Geophysical Research Abstracts. 2007.
V. 9. P. 03060.
3. Лаврова О.Ю., Серебряный А.Н. Изменчивость
течений в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря, вызванная
прибрежным вихрем: совместный анализ космических снимков и данных акустического
зондирования моря // Тез. 5-й юбилейной Всероссийс. конф. «Дистанционное зондирование
Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва, 12–16 ноября. М., 2007. С. 171.
4. Митягина
М.И., Лаврова О.Ю. Особенности мезомасштабной циркуляции вод,
выявленные в ходе спутникового мониторинга северо-восточной части Черного моря//
Тез. 5-й юбилейной Всероссийс. конф. «Дистанционное зондирование Земли из
космоса». ИКИ РАН. Москва, 12–16 ноября. М., 2007. С. 175.
5. Щербак С.С. Изучение циркуляции вод Черного моря по
данным дистанционного зондирования // Тез. 4-й конф. молодых ученых,
посвященной Дню космонавтики. М., 2007. С. 51–52.
Поверхностные
проявления циклонических вихрей малых масштабов вблизи берега
Envisat ASAR,
10.05.2007 (ÓESA, 2007)
Лаврова О.Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Митягина М.И., канд. физ.-мат. наук, 333-50-78, mityag@iki.rssi.ru
В рамках проекта «Динамика вод в проливах: влияние атмосферных и океанических процессов» (проект РФФИ № 06-05-65177, рук. канд. физ.-мат. наук Лаврова О.Ю.) продолжены исследования, направленные на изучение циркуляции вод в Керченском и Беринговом проливах.
Основываясь на данных спутникового дистанционного зондирования и натурных измерений, был сделан вывод об отсутствии прямой зависимости направления течения в Керченском проливе от «мгновенного» локального ветра. Доказано, что основное вклад в формирование течений вносят сгонно-нагонные колебания уровня, которые, в свою очередь, накладываются на фоновые, низкочастотные колебания, связанные с внутригодовой изменчивостью водного баланса (главным образом из-за речного стока). Рассмотрены причины возникновения бинаправленности течения, когда южнее косы Тузла возникает резкий фронт между мутными водами пролива и прозрачными черноморскими водами; а азовоморский поток концентрируется у крымского берега и перемещается вдоль него довольно узкой струей. Наши исследования показали, что такая ситуация возникает в конце длительного периода устойчивых северо-восточных ветров. Можно предположить, что в этом случае в Азовском море под действием ветра воды начинают перемещаться на юг — в Керченский пролив, а в Черном море в результате экмановской накачки происходит усилиение ОЧТ, повышение уровня моря в предпроливье и подпруживание потока, направленного из Азовского моря.
В рамках проведения работ по исследованию циркуляционных процессов в Беринговом проливе выполнен совместный анализ полученных при восстановлении из данных спутниковой радиолокации параметров течений с данными контактных измерений, проведенными с борта научно-исследовательского судна Alpha Helix учеными из Университета штата Вашингтон. Проведено численное моделирование упрощенной схемы процессов, наблюдаемых на РЛИ. Выявлено сильное изменение скорости течения с глубиной.
Заток более прозрачных черноморских вод в Керченский
пролив.
Многозональное изображение MODIS ИСЗ Aqua 01.05.2006
07:56 UTC
1. Щербак С.С., О.Ю. Лаврова, М.И.
Митягина. Возможности спутникового дистанционного зондирования для
изучения влияния атмосферных процессов на формирование течений в Керченском
проливе // Современные проблемы дистанционного
зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии
мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов / Под ред. Лаверова Н.П. и др. М.:
Азбука-2000, 2007. Вып. 4. Т. 1. С. 376–383.
2. Lavrova O.,
Bocharova T., Sabinin K. Satellite Remote Sensing of Water Dynamics in
the
3. Лаврова О.Ю., Ликучева Т.В., Сабинин К.Д., Woodgate R.A. Восстановление параметров течения в Беринговом проливе по данным спутниковой радиолокации и
контактных измерений // Тез. 5-й юбилейной Всероссийс. конф. «Дистанционное зондирование Земли из
космоса». ИКИ РАН. Москва, 12–16 ноября,
М., 2007. С. 170, 2007.
Лаврова О.Ю., канд. физ.-мат.
наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
В рамках работы над проектом «Разработка технологии оперативного контроля нефтяных загрязнений шельфовой зоны российских морей на основе комплексного использования спутниковой информации» (06-05-08072-офи, рук. канд. физ.-мат. наук Лаврова О.Ю.) проведена апробация создаваемой технологии спутникового контроля нефтяных загрязнений в прибрежной зоне на основе совместного использования разнородных данных спутникового зондирования морской поверхности. В апреле-октябре 2007 г. совместно с НИЦ «Планета» осуществлялся спутниковый мониторинг состояния природной среды прибрежной полосы российского сектора Азовского и Черного морей.
В ходе мониторинга решались следующие задачи:
1) оперативное
картирование параметров состояния и загрязнений (береговых, судовых и
биогенных) водной среды; обобщение полученных результатов ежедекадно и за
месяц;
2) анализ метеорологической обстановки и ее влияния на распространение загрязнений;
3) изучение закономерностей прибрежной циркуляции и их влияния на распространение загрязнений;
4) выявление различных ситуаций распределения загрязнений в прибрежных водах.
В ходе проведения мониторинга состояния природной среды российского сектора Азовского и Черного морей в 2007 г. было получено, обработано и проанализировано более 1100 космических изображений в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра с 9 спутников, специализированных на дистанционном зондировании Земли. При анализе гидрометеорологической обстановки использовались данные наземных наблюдений с метеорологических станций Сочи, Туапсе, Новороссийск, Анапа, Керчь и Ростов-на-Дону, а также результаты обработки спутниковых данных, полученные в предшествующие периоды наблюдений. На основе совместного анализа данных, полученных сенсорами с различных носителей в различном спектральном диапазоне, и гидрометеорологической информации регулярно выпускались 13 видов оперативной спутниковой информационной продукции, включая карты загрязнения моря пленками поверхностно-активных веществ, распределения фитопланктона и водорослей, концентрации хлорофилла-а, температуры поверхности моря и др., а также обобщенные карты-схемы состояния и загрязнения морской.
Выявлены основные источники загрязнений морской поверхности и районы наихудшей экологической обстановки.
Фрагмент Envisat ASAR изображения, полученного 17 апреля 2007
г. (Ó ESA 2007).
Сброс загрязненных нефтепродуктами вод с судна в 2 км от детских здравниц
в Анапе.
Общая площадь загрязнений 0,3 км2
Обобщенная
карта-схема нефтяных загрязнений в российском секторе Черного моря
в апреле-октябре 2006 г. (по данным ИСЗ Envisat ASAR и ERS-2 SAR)
1. Литовченко К.Ц., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Иванов А.Ю., Юренко Ю.И. Нефтяные
загрязнения восточной части Черного моря: космический мониторинг и
подспутниковая верификация // Исслед. Земли из космоса. 2007. №1. С. 81–94.
2. Mityagina M., Lavrova O.,
Bocharova T. Detection
and Discrimination of Sea Surface Films in the Coastal Zone of Northeastern
Black Sea Using SAR Data. ESA-ed. 2007. V. 1.
ESA-SP-636.
3. Кровотынцев В.А.,
Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Островский А.Г. Космический
мониторинг состояния природной среды Азово-Черноморского бассейна //
Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические
основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных
явлений и объектов / Под ред. Лаверова Н.П. и др. М.: Азбука-2000, 2007. Вып. 4.
Т. 1. С. 295–303.
4. Митягина М.И., О.Ю. Лаврова.
Радиолокационные наблюдения поверхностных пленочных загрязнений в прибрежной
зоне Черного и Азовского морей // Современные проблемы дистанционного
зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии
мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов / Под
ред. Лаверова Н.П. и др. М. Азбука-2000, 2007. Вып. 4. Т. 1. С. 317–324.
5. Kostianoy A.G.,
Lavrova O.Yu., Mityagina M.I. et al. Complex Monitoring
of Oil Pollution in the Baltic, Black and
6. Mityagina M.,
Lavrova O., Bocharova T. Detection and
Discrimination of Sea Surface Films in the Coastal Zone of Northeastern Black Sea Using SAR Data. Envisat Symposium-2007. Montreux
Лаврова
О.Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Митягина М.И., канд. физ.-мат. наук, 333-50-78, mityag@iki.rssi.ru
Проект «Радиоэлектронные
дистанционные активно-пассивные методы
в исследованиях окружающей среды шельфовой зоны окраинных морей РФ» (ОФН-14)
(пункты плана
научно-исследовательских работ 2007 г. № 4.2.6, 4.2.8, 4.2.9, 4.2.10, 4.2.11)
Основные цели проекта:
Развитие теоретических моделей, анализ физических механизмов, разработка и применение радиофизических дистанционных активно-пассивных методов измерений и алгоритмов обработки натурных и дистанционных данных в целях выявления закономерностей и особенностей проявлений внутриокеанических, атмосферных процессов и антропогенных воздействий на взволнованной морской поверхности шельфовой зоны окраинных морей РФ.
Задачи, поставленные на 2007 г.:
1. Анализ
результатов оптического дистанционного зондирования и их физическая
интерпретация процесса обрушения гравитационных волн и их пространственных
характеристик в условиях неполного разгона и полного разгона морского волнения.
2. Подготовка
и проведение натурных испытаний модернизированного комплекса микроволновых
радиотепловых систем на поворотно-сканирующей платформе «Галс» и
специализированного волнографического и ветрового комплекса. Исследование
процессов влаго- и теплообмена в системе океан – атмосфера радиотепловыми
микроволновыми комплексами.
Проведение детальных лабораторных экспериментов на базе искусственной шероховатой поверхности.
Подготовка, формирование и
выпуск в издательстве Springer/PRAXIS инициативного проекта: монографии Sharkov E.A.
“Breaking ocean waves: Geometry, Structure
and Remote Sensing”. Springer/PRAXIS. Berlin Heidelberg
ISBN 978-3-540-29827-4
(пункт плана
научно-исследовательских работ 4.2.6)
Настоящая
книга представляет собой первое в мировой научной литературе детальное
аналитическое описание состояния дистанционных исследований (в оптическом и микроволновом
диапазонах электромагнитных волн) одного из важнейших нелинейных элементов
динамики морского волнения — процесса обрушения гравитационных волн и
последующих за ним эволюции и динамики дисперсных пенных систем различных
классов и капельно-брызговой фазы. Монография обобщает значительный цикл работ
автора по указанной тематике, выполненный на протяжении периода с 1980 г. по
настоящее время Рассмотрены вопросы методологии многомасштабных оптических и
микроволновых дистанционных измерений; описаны методики изучения индивидуальных
обрушений, а также методики изучения мезомасштабных точечных дискретных
случайных полей обрушений; а также результаты полевых натурных исследований. В
книге рассмотрены достоинства и ограничения различных дистанционных комплексов
для выявления пространственно- временных особенностей полей обрушения
гравитационных волн и дисперсных систем с аэроносителей различных классов.
Детально описаны в книге последние достижения электродинамики излучения и
рассеяния электромагнитных волн полидисперсными плотноупакованными
полиэдральными системами и концентрированных потоков водных сферических частиц.
Текст монографии сформирован на базе универсального подхода как к содержанию, так и к характеру описания. Принципиальная особенность монографии заключается в объединенном описании пространственно-временных и структурных свойств обрушающихся океанических волн с их электродинамическими характеристиками. При этом основной упор делается на разъяснение физических аспектов процессов обрушения, понимание которых необходимо для выявления возможностей и ограничений в методах дистанционного зондирования при их использовании для наблюдения океанической поверхности. В книге содержатся многочисленные примеры и иллюстрации из современных экспериментов, выполненных в лабораторных, самолетных и корабельных условиях.
Сформированные на базе экспериментальных данных стохастическая пространственные модели полей обрушений могут быть с успехом использованы для исследования проблем волновой динамики и дистанционного зондирования взволнованной поверхности океана, а также в задачах исследования климатических вариаций.
Разработанные автором модели и представленные экспериментальные данные могут быть использованы как для выполнения проектно-баллистических процедур потенциальных спутниковых систем для мониторинга морской поверхности, так и для целей оперативного планирования космических экспериментов с существующими системами.
Теоретические, экспериментальные и лабораторные исследования
морской поверхности с помощью микроволновой радиометрии
(пункты плана
научно-исследовательских работ 2007 г. № 4.2.8, 4.2.9, 4.2.10, 4.2.11)
В рамках выполнения работ по данному направлению осуществлялся анализ данных натурного международного эксперимента CAPMOS’05 (Combined Active/Passive Microwave Measurements of Wind Waves for Global Ocean Salinity Monitoring). Одним из основных направлений этого эксперимента являлась апробация разработанной методики восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярного волнения (ГКВ) с помощью метода нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС) на основе угловых измерений (комплекс «Траверс») яркостной температуры морской поверхности. Радиометрический блок комплекса «Траверс» состоял из радиометра теплового инфракрасного диапазона R-IR и набора микроволновых радиометров с рабочими частотами от 3,7 до 89 ГГц (что соответствует длинам волн от 8 см до 3 мм). Основные характеристики радиометров приведены в таблице.
|
Характеристики радиометрических
приемников комплекса «Траверс» |
||||
|
Прибор |
Диапазон длин волн |
Поляризация |
Ширина луча, град. |
Чувствительность, К |
|
R-IR |
8–12 мкм |
– |
1 |
0,1 |
|
R03 |
3 мм |
В, Г |
7 |
0,15 |
|
R08 |
8 мм |
В, Г, ±45° |
9 |
0,15 |
|
R15 |
1,5 см |
В, Г, ±45° |
9 |
0,15 |
|
R80 |
8 см |
В |
15 |
0,1 |
Основные результаты, представленные в данном разделе, были получены с помощью радиометра-поляриметра диапазона 0,8 см (R08). Алгоритм состоял в сканировании снизу вверх и обратно со скоростью 0,2 об/мин в диапазоне углов от 20 до 153° по отношению к надиру на шести последовательных азимутальных углах, через каждые 36°, и затем возврат на исходный азимутальный угол. Обратный азимутальный скан осуществлялся при фиксированном угле места порядка 65–70° от надира. Общая продолжительность такого цикла составляла около 25 мин. В соответствии с разработанным алгоритмом восстановления параметров спектра ГКВ (метод НРРС) осуществлялась следующая обработка экспериментальных данных:
1. Усреднение значений TЯ в пределах одного цикла сканирования. За счет этого удалось снизить влияние случайных помех, а время накопления сигнала на каждом из 14 вертикальных углов составило, в среднем, около 15 с.
2. Следующим шагом был расчет угловых зависимостей радиояркостных температур для гладкой водной поверхности с учетом переотраженного излучения атмосферы.
3. Расчет радиояркостных контрастов путем вычисления разницы соответствующих яркостных температур шероховатой (п. 1) и гладкой (п. 2) водной поверхности.
4. Полученные в результате зависимости ΔTЯ эксп(θ) использовались в качестве входных данных при решении задачи восстановления параметров спектра ГКВ по методике НРРС.
В качестве примера (рис. 1) представлены результаты восстановления параметров спектра (спектра кривизны B(K), полученных при анализе угловых зависимостей радиояркостных температур в период 18:01 по 18:22 8 июня 2005 г.
|
|
|
|
|
Рис. 1. Временные зависимости восстановленных значений спектра кривизны B(K),
рассчитанных для различных волновых чисел в сравнении с ходом изменения скорости
приповерхностного ветра |
Результаты анализа полученных в ходе натурного эксперимента данных
позволяют сделать следующие выводы, что восстановленные по методике НРРС
значения дисперсии уклонов s2(K) и B(K) демонстрирую зависимость от величины скорости приповерхностного
ветра, максимум зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного
ветра наблюдается для области волновых чисел, соответствующей обнаруженному
спектральному максимуму (K ≈ 7,0 рад/см). Представленные
результаты свидетельствуют о возможности применения разработанной методики
восстановления параметров спектра ГКВ для мониторинга состояния водной
поверхности. Положительные результаты выполненных исследований дают основания
полагать, что продолжение работы по данному направлению позволит перейти к
точным количественным оценкам параметров спектра ГКВ, которые смогут быть
использованы для построения ветровых зависимостей, уточнения существующих или
создания новых моделей волнения, а также для объяснения физических процессов на
границе раздела океан–атмосфера.
В рамках темы «Океан», и проектов
РФФИ 05-05-64451 и ИНТАС 03-51-4789 в июне–августе 2007 г.
проведен комплексный международный натурный эксперимент CAPMOS’07 (Combined Active/Passive Microwave Measurements of Wind Waves for Global Ocean Salinity) на океанографической
платформе вблизи Южного берега Крыма. Эксперимент CAPMOS’07 объединил 8 научных
групп из 4 стран: России, Украины, Италии и Дании. В течение эксперимента
проводились комплексные измерения характеристик взаимодействия океана и
атмосферы. Измерения проводились с помощью модернизированной
поворотно-сканирующей радиометрической платформы (ПСРП) «Траверс». Модернизация
коснулась программы управления платформой и радиометра-поляриметра R15,
увеличена стабильность канала передачи, установлена всепогодная Web-камера,
которая позволила автоматизировать данные визуального наблюдения текущих
метеособытий в процессе измерений. Дистанционные измерения солености
проводились с помощью дм-радиометра ИРЭ РАН, контактные измерения солености
осуществлялись украинской стороной. Измерения производились непрерывно 24 часа
в сутки, за исключением технологических перерывов на ремонт и обслуживание
аппаратуры. Экспериментальные данные регистрировались в цифровой форме на
персональных компьютерах. На рис. 2 и 3 приведены фотографии ПСРП «Траверс»
и дм-радиометра с зеркальной антенной. В ходе проведения эксперимента получены
уникальные радиометрические данные, с помощью которых будет отрабатываться
методики восстановления спектра ГКВ, определения поверхностной солености и
других параметров взаимодействия морской поверхности и атмосферы.
Рис. 2.
Фото поворотно-сканирующей радиометрической платформы «Траверс»,
установленной на 6-метровом выносе
Рис. 3. Дм-
радиометр с зеркальной антенной
Лабораторные эксперименты по исследованию излучения и рассеяния искусственной шероховатой поверхности были выполнены на экспериментальном полигоне, расположенном на крыше здания ИКИ РАН. Приоритетными задачами эксперимента являлись: оценка величины вклада коротких гравитационно-капиллярных волн в общее радиотепловое излучение взволнованной морской поверхности; сравнение получаемых экспериментальных результатов с данных модельных расчетов для определения возможности использования выбранной модели радиотеплового излучения водной поверхности при разработке методики восстановления параметров спектра ветрового волнения (метод нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии НРРС). Для проведения исследований поляризационных характеристик теплового радиоизлучения водной поверхности была создана экспериментальная установка, внешний вид которой представлен на рис. 4. Она включает в себя приемник излучения с антенной, ванну с водой и служебные устройства. Важным дополнением лабораторного эксперимента 2007 г. стало применение системы переотражающих экранов, использующихся для снижения влияния подсвета окружающих предметов и элементов конструкций на регистрируемое радиотепловое излучение. В качестве приемника излучения использовался радиометр-поляриметр 8-мм диапазона длин волн (центральная частота приемника 37,0 ГГц) с входной полосой Δf ≈ 1,5 ГГц и флуктуационной чувствительностью δT ≈ 0,15 K при времени накопления сигнала 1 с.
Рис. 4. Внешний вид экспериментальной установки
Объектом исследования была ванна с пресной водой (размеры 60×60 см), на поверхности которой создавалась система периодических возвышений с контролируемыми параметрами (высота и период неровностей). Период неровностей L в нашем эксперименте был фиксирован и составлял 12 мм, что примерно в 1,5 раза больше длины электромагнитной волны l. Высота неровностей так же была постоянной — 0,6 мм. Изменение азимутального угла производилось посредством вращения в горизонтальной плоскости специальной автоматизированной поворотной платформы, на которую устанавливалась ванна с водой. Изменение вертикального угла наблюдения осуществлялось за счет вращения с помощью системы канатов и блоков рамы с закрепленным на ней радиометром таким образом, что при любом угле зондирования антенна была направлена в центр ванны. Без представления конкретных экспериментальных зависимостей следует отметить, что обработка (продолжающаяся в настоящее время) полученных данных позволила сделать следующие важные выводы:
1. Результаты лабораторных исследований являются убедительным свидетельством той важной роли, которую играют короткие гравитационно-капиллярные волны (за счет резонансного характера излучения) в формировании теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности. Периодические неровности с периодом 12 мм и амплитудой всего 0,6 мм привели в описанном эксперименте к увеличению радиояркостной температуры на 9 К.
2. Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических данных, продемонстрированное в эксперименте, свидетельствует о возможности использования приведенной методики учета коротковолновых составляющих при расчете радиояркостной температуры водной поверхности, обусловленной присутствием волн различных масштабов.
3. Полученные экспериментальные данные подтвердили возможность использования выбранной модели радиотеплового излучения при решении задачи восстановления параметров спектра ГКВ на основе угловых радиополяриметрических измерений.
В ходе выполнения теоретических исследований взаимодействия шероховатой поверхности и электромагнитного излучения разработана общая постановка и решение задачи взаимодействия сферической электромагнитной волны с синусоидальной морской поверхностью. Развита электродинамическая теория применительно к микроволновой радиометрии морской поверхности, проведены численные эксперименты и выполнено сравнение с результатами лабораторных экспериментов. Впервые представлена трактовка эффекта «критических явлений» в тепловом излучении водной поверхности в свете решения задачи в приближении сферической волны, объяснена тонкая структура экспериментальных кривых в лабораторных экспериментах
Проект ИНТАС 03-51-4789 «Комбинированные активно-пассивные микроволновые измерения ветрового волнения для глобального мониторинга солености океана» (INTAS Project 03-51-4789 Combined Active / Passive Microwave Measurements of Wind Waves for Global Ocean Salinity Monitoring (CAPMOS) (Рук. канд. физ.-мат. наук Поспелов М.Н.) проводился с 1.03.2004 по 31.08.2007. Результатом выполнения проекта явилось следующее. На основе двухмасштабной модели ветрового волнения были выполнены расчеты микроволнового излучения морской поверхности. Было выполнено сравнение модели и экспериментальных результатов. Было подтверждено хорошее совпадение экспериментальных данных относительно азимутальной зависимости трех первых параметров Стокса, полученных различными группами исследователей. Был выполнен лабораторный эксперимент, нацеленный на измерения микроволнового излучения водной поверхности с искусственно сформированной рябью. Параметры Стокса микроволнового излучения измерялись с помощью поляриметров К- и Ка-диапазона, установленных на вращающейся раме. Искусственная рябь формировалась системой параллельных капроновых нитей, погруженных в воду. Измерения проводились в широком диапазоне вертикальных и азимутальных углов. Амплитуда радиояркостных контрастов, вызываемых рябью, достигала 10 К, в то время как амплитуда возмущений поверхности составляла 0,7 мм. Также, значительные контрасты были зарегистрированы в азимутальных зависимостях параметров Стокса. Этот результат служит свидетельством той важной роли, которую играют гравитационно-капиллярные волны в формировании поляризованного микроволнового излучения реальной морской поверхности.
Особое внимание было уделено разработке усовершенствованных методов обнаружения и ослабления эффекта радиочастотных помех, которые могут серьезно искажать дистанционные измерения морской солености. Была разработана система, в которой данные радиометров предварительно интегрируются с постоянной времени всего 1,8 мкс и записываются на скоростной жесткий диск. Сигналы помех обычно имеют импульсный характер, такие предварительно проинтегрированные данные могут быть исследованы на предмет наличия нетипично больших сигналов, которые могут быть исключены, и затем данные проинтегрированы уже до конечного значения.
Серия натурных экспериментов CAPMOS’05 и CAPMOS’07 была выполнена на прибрежной платформе в Кацивели, Украина, в мае-июне 2005 г. и июне–августе 2007 г. Главной целью экспериментов было сравнить результаты синхронного активного и пассивного микроволнового зондирования морской поверхности в комбинации с контактными и оптическими измерениями. Международный консорциум предоставил для эксперимента следующие средства: украинская команда предоставила все необходимые средства обеспечения измерений на платформе и набор датчиков для океанографических измерений; российские команды предоставили набор пассивных микроволновых приборов (радиометров) и метеорологическое оборудование; итальянские команды предоставили активные микроволновые приборы (скаттерометер и интерферометр).
Спектральный анализ скаттерометрических данных выявил спектральные пики в районе от 0,05 до 0,6 Гц с максимумом около 0,2 Гц. Медленные вариации удельного сечения обратного рассеяния были связаны с флуктуациями поля ветра с частотами 0,001–0,007 Гц (характерные масштабы 1–7 км). Также была проанализирована чувствительность удельного сечения обратного рассеяния к скорости ветра на различных углах зондирования и временная задержка между вариациями сечения обратного рассеяния и скорости ветра при зондировании по ветру и против. Радиометрические данные использовались для восстановления спектра гравитационно-капиллярных волн. Результаты восстановления сравнивались с тремя различными моделями спектра. Был предложен алгоритм решения обратной задачи восстановления горизонтальной компоненты скорости ветра из радиометрических данных S- и Ка-диапазона, который был проверен путем сравнения с экспериментальными данными. Дистанционные измерения параметров волнения позволяют повысить точность алгоритма восстановления солености поверхностного слоя моря. Этот алгоритм может быть использован для обработки данных предстоящего проекта ЕКА SMOS, а также и других проектов дистанционного зондирования, что является важным для глобального мониторинга изменения климата.
Успешно выполнен проект
РФФИ 05-05-08033-офи_а «Технологии микроволновой радиометрии в космической
океанологии» (рук. д-р физ.-мат. наук Шарков Е.А.). Выполненный проект был
направлен на использование новых технологий микроволновой поляриметрии и
спектрометрии в создании прототипа перспективного космического комплекса
наблюдений поверхности океана и атмосферы. За время выполнения проекта была
выполнена следующая работа. Проанализировано современное состояние
микроволнового радиометрического зондирования и выработаны требования к
национальной системе наблюдения океана и атмосферы из космоса с учетом
имеющегося опыта продолжительного функционирования зарубежных средств
космического зондирования, таких как спутники DMSP, NOAA и WindSat. Предложен проект перспективного спутникового
поляриметрического комплекса, предназначенного для дистанционного измерения и
картирования полей вектора скорости ветра над океаном, характеристик ветрового
волнения, температуры океана и потока тепла на границе океан-атмосфера, а также
интегрального по высоте содержания водяного пара в атмосфере и водозапаса
облачности. Выполнено проектирование прототипа спутникового прибора,
предназначенного для включения в состав национальной космической системы.
Основные параметры прототипа:
• диаметр основного зеркала 0,36 м;
• частота 6,8; 10,65; 18,7; 20-24 (3 спектральных канала), 36,5 и 89,0 ГГц;
• количество каналов 19;
• поляризация: горизонтальная на частотах 20...24 ГГц;
• горизонтальная и вертикальная на частотах 6,8 и 89 ГГц;
• горизонтальная, вертикальная и под углом ±45° на частотах 18,7; 10,65 и 36,5 ГГц;
• сканирование коническое с периодом 1 с;
• угол падения луча на поверхность 45°;
• погрешность измерения радиояркостной температуры составляет 1,0 К.
Существенные отличия от отечественных и зарубежных аналогов заключаются в возможности проведения поляризационных измерений, что дает возможность восстанавливать скорость и направление приповерхностного ветра, а также в наличии спектрометрических каналов в линии резонансного поглощения водяного пара 22,235 ГГц, которые позволят восстанавливать интегральное влагосодержание атмосферы над произвольным типом подстилающей поверхности. Выполнена разработка микроволновых приемных модулей радиометрического комплекса. Разработаны технические условия для проектирования антенной системы космического базирования с диаметром основного зеркала 1–2 м, выполнены тестовые измерения макета высокочастотных облучателей.
Изготовлен прототип радиометрического комплекса дистанционного зондирования системы океан-атмосфера предназначенный для установки на летательном аппарате (самолет, вертолет, дирижабль). Однако из-за сокращения финансирования по сравнению с заявленным, создан сокращенный набор радиометрических каналов (10 вместо 19). Микроволновый сканирующий радиометр состоит из сканирующей по конусу параболической двухзеркальной антенной системы типа Грегори с диаметром основного зеркала 0,36 м, привода вращения с вращающимся контактным устройством (ВКУ), микроволновых приемных модулей и системы накопления, обработки и записи полученной радиометрической информации. Разработана и изготовлена оригинальная система сбора данных (ССД) состоящая из двух компьютеров, один из которых находится на неподвижном основании сканера, другой — на вращающейся части прибора. Питание на подвижную часть сканера подается через ВКУ, а обмен информацией между системами в подвижной и неподвижной части осуществляется по высокоскоростной ИК-линии. Проведены исследования характеристик прототипа космического радиометрического комплекса по чувствительности, точности определения яркостных температур, стабильности коэффициентов передачи радиометрических каналов и других параметров системы.
Завершен проект РФФИ 05-05-64451 «Метод нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии и его применения в измерениях свойств морской поверхности» (рук. канд. физ.-мат. наук Кузьмин А.В.). В ходе выполнения проекта разрабатывался метод определения статистических параметров волнения морской поверхности с помощью угловых поляризационных радиометрических измерений восходящего микроволнового излучения и спектра ветрового волнения на основе детального исследования механизма резонансного излучения электромагнитных волн микроволнового диапазона, проведение модельных исследований устойчивости и точностных характеристик алгоритма. Важной частью проекта являются натурные исследования новой методики дистанционного измерения дисперсии уклонов крупных волн и параметров гравитационно-капиллярного волнения на морской поверхности с использованием уникальных возможностей нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС) и сравнение полученных результатов с существующими моделями и методами определения спектров волнения. Была проведена разработка методики решения обратной задачи и алгоритма восстановления параметров спектра волнения по данным угловых радиополяриметрических измерений. Входными параметрами алгоритма являются угловые поляриметрические измерения радиояркостной температуры морской поверхности, а решением - статистические характеристики волнового процесса. Детально проанализировано влияние точности определения входных параметров на результаты решения обратной задачи. Разработаны требования к параметрам радиометрической аппаратуры для определения статистических характеристик волнения с необходимой точностью. Создан комплекс вычислительных программ для обработки данных натурных экспериментов по определению дисперсии уклонов и спектра кривизны морского волнения по угловым радиометрическим измерениям с берега или платформы.
В ходе выполнения проекта проведены экспериментальные работы на побережье Черного моря на базе Южного отделения Института Океанологии РАН в г. Геленджик в июле 2006 г. и комплексные международные натурные эксперименты CAPMOPS’05 и CAPMOPS’07, выполненные в июне 2005 г. и июне–августе 2007 г., соответственно, на океанографической платформе, расположенной на расстоянии 800 м от береговой линии (п. Кацивели, Украина). Измерения осуществлялись с помощью радиометров-поляриметров с рабочими длинами волн от 0,3 до 27 см, установленных на автоматизированной поворотно-сканирующей платформе. Контроль влияния на параметры морского волнения ветровой компоненты осуществлялся посредством двух метеорологических комплексов, установленных на разных высотах 1,5 и 7,0–21 м от уровня моря. В ходе экспериментов были получены хорошо калиброванные зависимости радиояркостной температуры собственного излучения морской поверхности в сантиметровом диапазоне длин волн от угла наблюдения, скорости ветра, разности температур вода-воздух и других метеопараметров.
В соответствии с разработанным алгоритмом восстановления параметров спектра волнения и с помощью пакета программ проведена обработка натурного эксперимента 2005 г. CAPMOS’05, который проводился на океанографической платформе в близи п. Кацивели на южной оконечности Крыма. Результаты обработки, полученных в ходе натурного эксперимента данных, позволяют сделать заключение, что восстановленные дисперсии уклонов и спектра кривизны демонстрирую зависимость от величины скорости приповерхностного ветра. Степень этой зависимости изменяется как с вариациями волнового числа, так и с ростом абсолютных значений дисперсии уклонов и спектра кривизны. Данные, полученные с помощью решетки струнных волнографов, хорошо согласуются с дисперсией уклонов крупномасштабного волнения, полученной по радиометрическим измерениям. Вместе с тем, данные волнографа показали отличие функции распределения уклонов, усредненных по азимутальному углу, от гауссового и как следствие — необходимость внесения соответствующих изменений в методики расчета радиояркостных контрастов взволнованной водной поверхности.
Проект «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного
волнения
и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования» (ОФН-13)
(пункты плана
научно-исследовательских работ 2007 г. № 4.2.3, 4.2.4, 4.2.5.4.2.12)
1. По теме «Океан» п. 4.2.3 «Микроволновая диагностика состояния морской поверхности, возмущаемой подводным потоком газовой мелкодисперсной среды» (отв. исп. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г., канд. физ.-мат. наук Скворцов Е.И.), п. 4.2.12 «Подготовка и проведение лабораторных и натурных экспериментов» (отв. исп. Комарова Н.Ю., канд. физ.-мат. наук Скворцов Е.И., канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г., Беляков Г.И., канд. физ.-мат. наук Раев М.Д.) продолжались экспериментальные исследования в рамках проекта РФФИ № 06-05-64600-а «Микроволновая диагностика состояния морской поверхности, возмущаемой подводным потоком газовых пузырьков» (рук. канд. физ.-мат. наук Скворцов Е.И.).
1.1. Были выполнены лабораторные и натурные исследования с целью получения экспериментальных данных необходимых для определения условий образования пленки в результате выноса на поверхность микрофлоры мелкодисперсными газовыми пузырьками.
1.2. Проведены лабораторные и натурные радиофизические исследования с целью определения связи параметров микроволновых сигналов (радиолокационных и радиотепловых контрастов) с физическими характеристиками микрослоя океана, формируемого скоплением микрофлоры.
В результате лабораторных экспериментов были показано, что искусственное насыщение поверхностного слоя микроскопическими водорослями (средний размер 1–1,5 мм) приводило к уменьшению мощности отраженного сигнала на частоте 36 ГГц на 5–7 дб. При этом величина контраста практически не зависела от поляризации излучаемого и принимаемого сигналов. Время существования пленки (неизменный уровень отраженного сигнала) составляло 1–1,5 ч. Затем уровень отраженного сигнала начинал расти и достигал своего исходного уровня, что было связано с уменьшением концентрации микрофлоры в поверхностном слое воды (разрушение пленки капиллярными волнами).
Булатов М.Г., Раев М.Д., Скворцов Е.И., Смирнов А.В., Татарский В.И. Исследование дисперсионных характеристик гравитационно-капиллярных волн на поверхности жидкости // Тез. 5-й юбилейной Всероссийс. конф. «Дистанционное зондирование Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва, 12–16 ноября. М., 2007.
2. По теме «Океан» п. 4.2.4 «Микроволновые исследования нелинейной динамики морских волн» (отв. исп. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г., канд. физ.-мат. наук Скворцов Е.И., канд. физ.-мат. наук Раев М.Д.) работы проводились по проекту РФФИ № 05-02-16384-а «Микроволновые исследования нелинейной динамики морских волн» (рук. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г.) и проекту РФФИ № 07-02-10015-к «Организация и проведение комплексных радиогидрофизических исследований нелинейной динамики морских волн и механизмов формирования собственного и рассеянного электромагнитного излучения морской поверхности» (рук. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г.).
2.1. Проведены дистанционные радиофизические и контактные измерения фазовых и групповых скоростей нелинейных волн и их эволюций в пространстве и времени.
2.2. Продолжалось создание банка экспериментальных данных цифровых радиолокационных изображений и временных рядов скаттерометрических измерений.
В ходе эксперимента методами микроволновой скаттерометрии высокого разрешения зарегистрированы поверхностные волны, движущиеся в направлении, противоположном направлению ветра и доминирующей системы волн. Анализ результатов микроволнового зондирования позволил получить пространственно-частотный спектр встречных волн, оценить его интенсивность и связать факт генерации встречных волн с условиями проведения эксперимента. Было показано, что появление встречных волн в условиях настоящего эксперимента может быть интерпретировано на основе механизма кубического взаимодействия узкополосных волн зыби и пространственно-распределенного ветрового волнения.
1. Булатов М.Г., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Встречные волны на поверхности моря (результаты натурного микроволнового эксперимента // Тез. 5-й юбилейной Всероссийс. конф. «Дистанционное зондирование Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва, 12–16 ноября. М., 2007.
2. Bulatov M.G., Raev M.D.,
Skvortsov E.I. Return Wave on
Sea Surface // Physics of Wave Phenomena, Allerton Press, Inc. 2008. V. 16.
3. По теме «Океан» п. 4.2.5 «Модернизация комплекса радиолокационной станции» (отв. исп. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г., канд. физ.-мат. наук Скворцов Е.И., канд. физ.-мат. наук Раев М.Д., д-р физ.-мат. наук Косов А.С.) и Программе фундаментальных исследований РАН «Проблемы радиофизики» (ОФН-13) (отв. исп. канд. физ.-мат. наук Булатов М.Г.) была проведена дальнейшая модернизация двухполяризационного радиолокатора с целью повышения его пространственного разрешения.
3.1. Разработан и создан макет нового модулятора и проведены его предварительные испытания.
3.2. Разработан пакет программ для спектральной обработки цифровых радиолокационных изображений, учитывающих специфику полученных данных и позволяющих детально проанализировать пространственно-временные характеристики отраженного сигнала с целью детального исследования нелинейных взаимодействий поверхностных волн.
Основные экспериментальные исследования по перечисленным выше направлениям были проведены в сентябре–октябре 2007 г. на базе Южного отделения Института океанологии РАН. В настоящее время производится дальнейшая обработка полученных данных.