Общая характеристика методов дистанционного зондирования

Многообразие как по физической природе, так и по пространст­венным и временным масштабам явлений и процессов в атмосфере и на ее подстилающей поверхности определяется с помощью измери­тельных средств, используемых для получения метеорологической информации.

Прямые измерения — измерения, в которых используются эта­лоны интересующих нас характеристик (величин) состояния окру­жающей среды. Это, например, измерения длин объектов с помощью эталонов расстояний или массы — с помощью эталонов массы и т. д. Можно отметить, что прямых измерений, в таком понимании, в метео­рологии и физике атмосферы осталось мало.

Косвенные измерения — измерения, при которых искомое зна­чение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Это определение соответствует терминологическому стандарту, и при его широком толковании все рассматриваемые нами дистанционные методы измерений относятся к косвенным измерениям, как и такие традиционные измерения (часто называемые прямыми), как измерения температуры, влажности, скорости ветра, осуществляемые, например, с помощью радиозондов.

Локальные измерения — измерения, при которых датчик (как прямых, так и косвенных измерений) находится в непосредственном контакте с исследуемой средой.

Дистанционные измерения — измерения параметров физиче­ского состояния среды, осуществляемые на различных расстояниях от нее с помощью регистрации характеристик различных полей (гравита­ционных, электромагнитных, акустических и т. д.).

В соответствии с приведенной классификацией рассматривае­мые нами методы измерений, основанные на регистрации различных характеристик электромагнитных полей, являются и косвенными и дистанционными. В дальнейшем для их обозначения будут использо­ваться оба термина. При этом их нельзя путать с «дистанционными» методами, при которых, например, датчик и регистрирующее устрой­ство, соединенные проводами (или радиолинией), разнесены в про­странстве.

Можно предложить целый ряд схем классификации дистан­ционных методов измерений, основанных на использовании раз­личных признаков. Рассмотрим основные из них.

1. Классификация по природе поля:

а) гравитационные методы;

б) электрические и магнитные методы;

в) методы электромагнитного (ЭМ) излучения;

г) ядерные методы;

д) акустические методы.

2. Классификация по источнику поля:

а) пассивные методы.

б) активные методы.

В первом случае измеряются естественные поля, присутствую­щие в природе вне всякой связи с самими измерениями (гравита­ционные поля Земли и планет; солнечное, тепловое и т. д. излучения; естественная радиоактивность и т. д.). Во втором случае используются искусственные источники, например, ЭМ излучения — лазеры, про­жекторы, радиолокаторы.

Имеется целый ряд классификаций косвенных электромагнит­ных методов.

3. По области спектра:

а) ультрафиолетового диапазона спектра;

б) видимого диапазона спектра;

в) инфракрасные;

г) микроволновые.

4. По основному процессу взаимодействия (или генерации) из­лучения:

а) прозрачности (поглощения);

б) рассеяния;

в) теплового излучения;

г) рефракции.

5. По геометрии или положению измерительного прибора:

а) наземные;

б) самолетные и аэростатные;

в) космические.

Эти типы классификаций можно детализировать. Например, ме­тоды рассеяния (4б) иногда подразделяют на методы релеевского рас­сеяния, методы аэрозольного рассеяния, методы комбинационного рассеяния и т.д.

В последнее десятилетие особое внимание уделялось разработке дистанционных методов, использующих измерения целого ряда харак­теристик электромагнитного излучения в различных областях спектра.

1. Дистанционность. Измерения осуществляются на различных расстояниях от исследуемого объекта. В случае спутниковых косвен­ных методов эти расстояния могут достигать тысяч километров.

2. Отсутствие внешнего влияния на объект исследования. Все пассивные косвенные методы в принципе не могут оказывать влияние на состояние изучаемого объема атмосферы, так как эти методы ис­пользуют измерения характеристик естественных ЭМ полей, сущест­вующих вне зависимости от того, производятся измерения или нет. В большинстве случаев это справедливо и для активных косвенных ме­тодов, хотя для лазерных методов может наблюдаться и другая карти­на при значительных мощностях генерируемого излучения.

Отсутствие влияния на исследуемый объект - чрезвычайно цен­ное свойство косвенных методов. Оно особенно важно при иссле­дованиях верхних разреженных слоев атмосферы, где сам изме­рительный прибор может стать источником значительных искажений.

3. Однородность измерений. Это свойство дистанционных из­мерений относится прежде всего к спутниковым измерениям, которые осуществляются с помощью одного или нескольких однотипных при­боров.

4. Высокая информативность. С помощью косвенных методов измерений определяют большое количество параметров атмосферы и подстилающей поверхности (табл. 3.1). Использование спутников по­зволяет проводить измерения в глобальном и региональном масштабах с высокими периодичностью (геостационарные спутники в настоящее время осуществляют измерения каждые 20-30 мин) и простран­ственным разрешением. Пространственное разрешение измерений мо­жет варьировать в зависимости от метода и требований к получению необходимой информации от метров (лазерное зондирование) до ки­лометров и сотен километров (пассивные методы).

Таблица 3.1

Основные физические параметры атмосферы и подстилающей поверхности, измеряемые косвенными методами

микроволновая, УФ — ультрафиолетовая, БИК — ближняя инфракрасная, ГИ — гамма-излучение (области спектра).

Следует отметить, что косвенные методы характеризуются от­носительно высокой стоимостью (вследствие сложности специализи­рованной аппаратуры и схем обработки данных), особенно в случае космических наблюдений.

Физико-математические основы косвенных дистанционных методов измерений метеорологических величин. Исторически иссле­дования в области теории переноса излучения были начаты с так назы­ваемых прямых задач теории переноса. В этом случае известными предполагались параметры физического состояния атмосферы и под­стилающей поверхности (метеорологические величины F) и характе­ристики взаимодействия электромагнитного излучения (ЭМ) со средой R (коэффициенты поглощения, излучения, рассеяния и т. д.). Стави­лась задача определения характеристик поля излучения: интенсивно­стей, потоков, притоков ЭМ излучения и их зависимостей от про­странственных, угловых, спектральных переменных.

В дальнейшем все большее значение начали приобретать об­ратные задачи теории переноса излучения. Решающим обстоятельст­вом при этом было стремление использовать измерения характеристик полей излучения для получения новой информации о физических па­раметрах состояния атмосферы и поверхности Земли. Можно сформу­лировать два типа обратных задач теории переноса излучения. Первый тип обратных задач, к которому относятся рассматриваемые нами дистанционные методы измерений, можно сформулировать следую­щим образом:

- заданы (измерены) те или иные характеристики поля излуче­ния J;

- заданы (известны на основе предыдущих исследований) пара­метры взаимодействия излучения со средой R;

- требуется определить те или иные метеорологические величи­ны F.

В обратных задачах второго типа также предполагается, что измерены те или иные характеристики поля излучения J, но заданы параметры физического состояния среды F. При этом определению подлежат характеристики взаимодействия излучения со средой R. Хотя этот тип обратных задач не так часто используется в метеорологиче­ской практике, он давно плодотворно применяется в различных разде­лах физики при лабораторных исследованиях различных количествен­ных характеристик взаимодействия излучения с газовой и конденсиро­ванной средой.

Таблица 3.2

Зависимости различных процессов взаимодействия от F

Физической основой возможности извлечения информации о разнообразных метеорологических величинах F из измерений характе­ристик излучения J является хорошо известный факт, что величины J в той или иной мере зависят от F. В табл. 3.2 даны характеристики такой зависимости для различных процессов взаимодействия.

Для математической формулировки обратных задач использует­ся аппарат теории переноса излучения или физическое рассмотрение диффузии квантов в атмосфере (например, метод пяти компонент в теории рассеяния, уравнение лазерной локации).

Уравнение переноса излучения в линейной оптике можно запи­сать в следующем виде:

1 dJ v

р ds

= -a_VJV + a_vJ_v,

(3.1)

где р — плотность ослабляющей субстанции; a_v — коэффициент ос-

где Z — высота.

Измеряя угловые или спектральные зависимости характеристик теплового излучения на МСЗ, можно ставить задачи по определению температуры подстилающей поверхности Т(0), вертикального профиля температуры T(z), вертикальных профилей содержания поглощающих веществ p (z) и т.д. Аналогичным образом можно сформулировать об­ратные задачи для других областей спектра, других моделей атмосфе­ры и геометрии измерений.

3.2.