4. 2. Мониторинг земного покрова.

Дистанционный мониторинг нацелен на оценку биологической продуктивности, на моделирование биогеохимических циклов с учетом роли растительности и на управление растительными ресурсами (особенно леса).

Современные спутниковые и самолетные системы дистанционного мониторинга типа JERS - 1 (Япония) и NOAA/AVHRR (США) позволяют решать такие задачи:

1) оперативной оценки степени пожарной опасности леса;

2) картирования контуров лесных пожаров через слои дыма и полог древостоя;

3) картирования обводненности лесных территорий при тушении крупных лесных пожаров;

4) определения энергетических параметров пожара;

5) определения послепожарного состояния лесов.

Применение радиоволнового экодиагностирования и методов пространственной интерполяции в задаче мониторинга сельскохозяйственных полей с целью картирования влажности почвы осуществлялось с помощью двух радиометров с диапазонами длин волн 18 и 27 см, размещаемых на борту самолета Ан – 2 или вертолета МИ – 2.

4. 3. Мониторинг водных систем.

Формирование радиотеплового поля излучения океана в СВЧ – диапазоне зависит от температуры и солености воды, взволнованности поверхности, концентрации хлорофилла и других компонентов океанской среды. Поэтому организация системы дистанционного радиоволнового мониторинга, основанного на регистрации собственного излучения океана в СВЧ – диапазоне сводится к решению ряда сложных математических задач.

Знание зависимостей радиационных характеристик водной поверхности от всего спектра ее параметров – необходимая основа радиоволновой экодиагностики поверхности океана.

4. 4. Мониторинг атмосферы.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что радиоволновые методы исследования атмосферы проигрывают оптическим на коротких трассах и становятся незаменимыми при контроле обширных территорий.

Выбор диапазона волн для зондирования атмосферы определяется как характером конкретной задачи, так и пространственными масштабами. Диагностика содержания водяного пара и водности облаков, состава атмосферных газов и аэрозолей по их собственному излучению в СВЧ – диапазоне базируется на спектральных измерениях. Наибольшая роль радиоволновых методов проявляется именно в мониторинге осадков и облаков.

Часть 5. Оптический экологический мониторинг.

5. 1. Оптический контроль атмосферы.

5. 1.1. Физические основы и классификация оптических методов диагностики.

Взаимодействие оптического излучения с различными атмосферными компонентами в настоящее время описываются соотношениями теоретического или эмпирического характера, что обеспечивает оптическим методам широкие перспективы для контроля и мониторинга земной атмосферы.

Молекулярное поглощение оптического излучения атмосферными газами относится к основным физическим процессам преобразования лучистой энергии в другие виды.

Молекулярное рассеяние оптического излучения является результатом его взаимодействия с оптическими неоднородностями в молекулярной среде.

Аэрозольное рассеяние является основным физическим процессом в земной атмосфере по изменению пространственного распределения и поляризации оптического излучения при его взаимодействии с атмосферным аэрозолем.

Рассеяние турбулентными неоднородностями в земной атмосфере вызывается неоднородностями диэлектрической проницаемости, которые принято описывать структурной функцией.

Тепловое излучение атмосферы и земной поверхности описывается известным законом Кирхгофа, согласно которому при наличии термодинамического равновесия отношение коэффициента излучения к коэффициенту поглощения равно интенсивности излучения абсолютно черного тела и является, следовательно, универсальной функцией длины волны и температуры.

Классификация оптических методов. Предлагаемая классификация этих методов является в значительной мере условной и может быть полезной скорее для пользователей, чем для разработчиков новых приборов.

1). Спектрометрические методы основаны на фотометрии удаленных естественных или искусственных источников оптического излучения. Измеряемой физической величиной является прозрачность атмосферы, которая определяется как отношение ослабленного оптического сигнала I к неослабленному I₀ .

2). Методы солнечной и звездной спектрофотометрии основаны на фотометрии ослабленного атмосферой излучения от Солнца и звезд.

3). Методы лазерной спектрофотометрии используют фотометрию ослабленного атмосферой лазерного излучения.

4). Методы фурье – спектроскопии выделены в отдельную группу по специфическим способам монохроматизации и обработки регистрируемых сигналов для широкополосных источников оптического излучения с помощью фурье – спектрометров.

5). Методы спектральной прозрачности атмосферы выделены также в отдельную группу по специфическим методикам обработки результатов измерений и оптическим схемам трассовых измерений в широком спектральном интервале.

6). Радиометрические методы основаны на фотометрии потоков оптического излучения от природных источников, включая тепловое и рассеянное атмосферное излучение. В специальной литературе эти методы часто называются методами пассивного зондирования окружающей среды.

7). Методы УФ – радиометрии выделены в отдельную группу в связи с особым экологическим значением потоков излучения в этом спектральном интервале.

8). Методы ИК – радиометрии связаны с измерениями преимущественно потоков теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности.

9).Актинометрические методы сосредоточены на решении задач, связанных с абсолютными значениями потоков оптического излучения и энергетического баланса этих потоков.

10) Методы поляризационной радиометрии отличаются от других радиометрических методов возможностью измерения поляризационных характеристик регистрируемого оптического излучения. Такие измерения проводятся преимущественно для потоков солнечного излучения, отраженного подстилающей поверхностью различного типа.

11) Нефелометрические методы основаны на измерениях, связанных с особенностями угловой зависимости рассеяния падающего излучения отдельными частицами (аэрозолями и молекулами).

12) Ореольная фотометрия основана на использовании асимметрии формы индикатрисы рассеяния, связанной с увеличением значений индикатрисы для углов передней полусферы.

13) Одноугловая нефелометрия использует однозначную связь между абсолютным значением показателя рассеяния под определенным углом и показателем рассеяния элементарного объема.

14) Индикаторисометры (многоугловая нефелометрия) реализует способ измерения индикатрисы, связанной с фотометрированием постоянного и неподвижного в пространстве рассеивающего объема.

15) Стокс – поляриметрия дает возможность получить полное представление о поляризационных свойствах света.

16) Аэрозольные счетчики используют метод измерения светорассеивающих свойств отдельных аэрозольных частиц.

17) Лидарные методы исследования атмосфкры относятся к активным дистанционным методам. Они основаны на явлениях рассеивания и поглощения лазерного излучения атмосферными компонентами и реазизуются путем посылки лазерного импульса в атмосферу и приеме обратнорассеянного излучения после его взаимодействия с атмосферой.

18) Метод рэлеевского молекулярного рассеяния использует анализ интенсивности лазерного излучения, упруго рассеянного на молекулах и атомах на исходной частоте.

19) Методы Ми (аэрозольного) – рассеяния основаны на интерпретации сигналов, упруго рассеянных на аэрозольных частицах, взвешенных в атмосфере.

20) Поляризационные лидарные методы, в которых кроме интенсивности обратнорассеянного сигнала измеряются его поляризационные характеристики. Используются для изучения формы частиц (фазовый состав), однородности частиц по объему и роли многократного рассеяния в формировании лидарных сигналов от ансамбля частиц.

21) Методы комбинационного рассеяния применяют излучение, рассеянное на молекулах атмосферы за счет эффекта Рамана (комбинационное рассеяние).

22) Методы резонансного рассеяния используют длины волн, совпадающие с частотой определенного перехода в атоме. При этом падающее на атомы лазерное излучение рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте. Наиболее эффективно этот метод работает при исследовании натриевых слоев в верхней атмосфере.

23) Методы лазерной флюоресценции используют явление поглощения лазерного излучения на частоте определенного перехода в атоме или молекуле с последующим переизлучением на более низкой частоте. Метод широко используется для исследования загрязнений на водной поверхности.

24) Дифференциальное поглощение и рассеяние являются в настоящее время одними из наиболее отработанных методов дистанционного газоанализа. Использование двух длин волн в зондирующем излучении, одна из которых близка к частоте молекулярного перехода исследуемого газа, а вторая находится вне полосы поглощения, позволяет достигнуть высокой чувствительности при значительном пространственном разрешении.