РАДІОХВИЛЬОВОЇ ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

Електромагнітні коливання - це взаємопов'язані коливання електричного ( Е ) і магнітного (Я) полів, що становлять єдине електромагнітне поле (див. Параграф 10.4). Радіохвилі - електромагнітні коливання з довжиною хвилі X від 0,1 мм до декількох десятків кілометрів (частотою / від декількох герц до 310 ¹² Гц), що використовуються для радіозв'язку.

Дистанційне СВЧ зондування земної покриву, атмосфери і акваторій засноване на реєстрації власного або відбитого і розсіяного електромагнітного випромінювання.

Основна специфіка радіохвильової діагностики пов'язана з великою радіонрозрачностио атмосфери. У цьому полягає одна з її переваг в порівнянні з оптичними і ІК-методами. Перевагою є також її всепогодность. Звичайно, і при використанні цього методу є обмеження, наприклад на довжині хвилі 1,35 см є лінія поглинання парів води, а в діапазоні 0,5 см - смуга поглинання кисню.

Радіохвилі можуть проникати під полог рослинного покриву і в глибину грунтового шару. Тому використання радіохвильових методів екодіагностікі дозволяє оцінювати стан рослинності і ґрунту і визначати багато інших їх характеристики. Спектр прикладних завдань, що вирішуються радіохвильовими методами, також включає дослідження морських екосистем, арктичних і антарктичних льодів, тектонічної активності і багато інших напрямків у вивченні ОС.

Радіохвильове зондування засноване на активному (радіолокація) і пасивному (реєстрація власного випромінювання) методах. Активна форма характерна для методів радіопросвічування атмосфери. Пасивні ж методи засновані на СВЧ-радіометрії. Наявність в СВЧ-діапазоні областей резонансного поглинання дозволяє проводити дистанційне визначення метеорологічних параметрів атмосфери: вертикальні профілі температури і вологості, повну масу водяної пари і водозапас хмар, інтенсивність дощу та ін. Можливість отримання інформації не тільки про характеристики водної і земної поверхні, але і про їх глибинних характеристиках залежить від вибору діапазону радіохвиль.

Електромагнітні хвилі сильно поглинаються земної та водної поверхнями. Глибина їх проникнення в водне середовище варіюється від сотих часток до одиниць міліметрів. У той же час в сухих ґрунтах, материкових льодах і сухому снігу ця величина може досягати декількох довжин хвиль. Проникаюча здатність радіохвиль дає перевагу при зондуванні земних покривів. Нещільна рослинність (трава, злаки і т.п.) в основному слабо поглинає радіохвилі, тому можна проводити крізь неї Радіоспостереження ґрунтових покривів. Радіохвилі можуть проникати в грунт на глибину близько 1 м.

Основний недолік методу полягає в порівняно низькою просторової роздільної здатності в порівнянні з оптичним діапазоном.

У дистанційному зондуванні (моніторингу) в основному використовують наступні типи радіолокаторів:

• • скаттерометри - прилади, призначені для вимірювання потужності назад розсіяного радіовипромінювання (рис. В.4, а). З їх допомогою визначають швидкість і напрям вітру (рис. В.4, б), щільність біомаси, рослинного покриву і т.д .;
• • альтиметр - прилади для вимірювання часу приходу відбитих від поверхні радиоимпульсов. З їх допомогою оцінюють параметри топографії суші і хвилювання водної поверхні. Супутниковий альтиметр працює на частотах 5,3 і 13,6 ГГц, він вимірює рівень океану, висоту хвиль і швидкість вітру;
• • радіолокатори підповерхневого зондування, призначені для вимірювання часу приходу імпульсів, відбитих від кордонів шару грунту. Вони дозволяють оцінювати товщину льодового покриття і багато іншого;
• • радіолокатори бічного огляду і радіолокатори з синтезованою апертурою для вивчення радіозображень земної поверхні (рис. 10.3).

Мал. 10.3. Моніторинг поверхні локатором бокового огляду:

а - льодова обстановка в Азовському морі; б - локатор бокового огляду міжпланетної станції «Венера-15»; в - вид гори Максвелла на Венері (1983 р)

Будь-які технічні засоби збору даних про ОС дозволяють отримувати уривчасту за часом і фрагментарну по простору інформацію. Зокрема, радіохвильові прилади на літаках і супутниках поставляють ряди даних, які географічно прив'язані до трасах польоту. Відновлення інформації в межтрассовом просторі можливо лише за допомогою методів просторово-часової інтерполяції.

Моніторинг земного покриву. Дистанційний моніторинг Землі спрямований на оцінку біологічної продуктивності, розуміння взаємодій в системі «грунт - рослина - атмосфера», на розрахунок динаміки биомов, на моделювання біогеохімічних циклів з урахуванням ролі рослинності і на управління рослинними ресурсами.

На рис. В.5 показані результату супутникового моніторингу території Далекого Сходу.

Основним завданням супутникових спостережень за лісом є глобальне картування рослинності в масштабі, який визначається господарськими потребами даного регіону. Супутниковий радіолокатор з синтезованою апертурою має дозвіл 10-15 м і дозволяє визначати типи грунтово-рослинних формацій, а багатоканальний локатор з роздільною здатністю близько 2 м розпізнає хвойні та листяні ліси, а також чагарники.

Супутникові (рис. В.6) і літакові (рис. Б.7) системи спостереження за лісовими пожежами дозволяють:

• • оперативно оцінити ступінь пожежної небезпеки лісу;
• • визначати контури лісових пожеж через шари диму і деревостану;
• • картировать обводненість лісових масивів;
• • визначати енергетичні параметри пожежі;
• • визначати послепожарной стан лісів.

Ґрунтова вода ділиться на прочносвязанная, рихлосвязанной і вільну. Найбільш інформативними для розпізнавання вологи в грунті є довжини хвиль 2,25, 18 і 30 см.

У табл. 10.1-10.3 наведені значення яскравості температур для земних покривів, коефіцієнти випромінювання деяких природних і антропогенних реперів, а також коефіцієнти відбиття хвиль НВЧ-діапазону від грунту з різною вологістю.

Таблиця 10.1

Значення діапазону яскравості температур

Таблиця 10.2

Коефіцієнти випромінювання деяких природних і антропогенних

реперів

Таблиця 10.3

Коефіцієнти відбиття хвиль НВЧ-діапазону від грунту

Моніторинг водних систем. Формування радіотеплового поля випромінювання океану в СВЧ-діапазоні залежить від солоності і температури води, схвильованості поверхні, концентрації хлорофілу та інших компонентів океанської середовища. Дистанційна діагностика цього поля вимагає також обліку таких чинників, як випаровування, опади, ціноутворення, хмарність, варіації інтенсивностей прямий і відображеної сонячної радіації. Тому організація дистанційного моніторингу океану являє собою складну задачу.

Дистанційне зондування забруднень водних систем дозволяє:

• • виявити і картировать забруднення;
• • визначити товщину плівки забруднення;
• • визначити вік плівки;
• • встановити сорт пролитого нафтопродукту або іншого забруднювача.

На рис. В.8 показані розливи нафти поблизу морських портів на Чорному

море.

Моніторинг атмосфери. Роль радіохвильової діагностики полягає в розширенні функції систем моніторингу атмосфери. Оскільки для багатьох частот радіохвиль атмосфера майже прозора, застосування радіохвиль виявляється неефективним. Дослідження показали, що радіовол- нові методи дослідження атмосфери програють оптичним, але стають незамінними при контролі великих територій.

Застосування радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів є єдиним методом, що дозволяє отримувати з космосу інформацію про параметри опадів в глобальному масштабі. Це пов'язано з тим, що радіохвилі відносно слабко взаємодіють з частинками хмар, пилу, молекулами атмосферних газів, а їх взаємодія з краплями дощу носить резонансний характер і виражається в інтенсивному поглинанні і розсіянні енергії хвиль.

На рис. В.9 показані два знімки атмосфери Юпітера. Юпітер - п'ята планета нашої системи, відстань до Сонця - 778,3 млн км, діаметр - 141 700 км, маса - 1,90-10 ²⁷ кг, має 14 супутників. Склад атмосфери Юпітера: Н ₂ , СН ₄ , NH ₃ , Хіба ж то й ін. Юпітер - потужне джерело теплового радіовипромінювання, має сильну радіаційним поясом і великою магнітосферою. Його турбулентні хмари постійно змінюються через збурень в атмосфері під час свого плавання навколо планети на величезних швидкостях до декількох сотень кілометрів на годину.