Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

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).
Моніторинг поверхні локатором бокового огляду

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

Тип земного покриву

X = 0,8 см

X = 1,35 см

т

l j min

т

x j max

т

1 j min

т

max

пустеля

251

261

245

270

зорана степ

255

268

257

277

Вкрита снігом степ

246

261

241

260

Покритий снігом лід

247

263

231

253

лід

239

247

235

254

морська поверхня

136

171

110

168

Таблиця 10.2

Коефіцієнти випромінювання деяких природних і антропогенних

реперів

репер

СВЧ діапазон

X, см

X, дм

сухий пісок

0,93 ± 0,03

0,93 + 0,03

бетон

0,84 + 0,02

0,82 + 0,02

асфальт

0,85 + 0,03

0,83 + 0,02

Густий ліс

0,95-0,98

0,92-0,96

Прісна вода

0,38 ± 0,01

0,36 ± 0,01

Таблиця 10.3

Коефіцієнти відбиття хвиль НВЧ-діапазону від грунту

Зміст вологи, г / см 2

Товщина шару грунту, см

0,5

1,0

2,0

3,0

5,0

СВЧ-діапазон X =

18 см

0,01

0,98

0,94

0,95

0,96

0,97

0,1

0,82

0,84

0,89

0,95

0,96

0,2

0,73

0,76

0,85

0,94

0,95

0,3

0,65

0,69

0,83

0,94

0,93

0,4

0,59

0,64

0,82

0,94

0,93

0,5

0,53

0,59

0,82

0,92

0,92

СВЧ-діапазон X = 30 см

0,01

0,93

0,93

0,94

0,95

0,96

0,1

0,82

0,83

0,85

0,89

0,96

0,2

0,72

0,73

0,78

0,85

0,96

0,3

0,64

0,66

0,73

0,83

0,95

0,4

0,57

0,59

0,69

0,82

0,94

0,5

0,52

0,55

0,66

0,81

0,92

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.

 
<<   ЗМІСТ   >>