КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.1. Общая характеристика дистанционных методов
При наблюдении Земли из космоса используют дистанционные методы (Remote sensing): исследователь получает возможность на расстоянии (дистанционно) получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы, как правило, являются косвенными, т.е. измеряются не интересующие параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины.
Спутниковые данные дистанционного зондирования (ДДЗ) позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды (ОС):
определение метеорологических характеристик:
вертикальные профили температуры,
интегральные характеристики влажности.
характер облачности и т.д.;
контроль динамики атмосферных фронтов ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий:
определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности:
обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий:
контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон:
обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах:
выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах:
регистрация дымных шлейфов от труб промышленных предприятий;
мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек:
обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений:
контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах техногенного влияния на них промышленных предприятий.
Например, нас может интересовать состояние сельхозпосевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность светового потока от этих объектов в нескольких участках оптического диапазона. Для того, чтобы "расшифровать" такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные подспутниковые эксперименты: по изучению состояния растений контактными методами; по изучению отражательной способности листьев в различных участках спектра и при различном взаимном расположении источника света (Солнца), листьев и измерительного прибора. Далее необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета и лишь после этого судить о состоянии посевов по спутниковым данным. Необходимо тщательно калибровать спутниковую аппаратуру на Земле перед запуском и в космосе, систематически сравнивать спутниковые данные с наземными. Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высоким технологиям, это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений.
Подспутниковые исследования трудоемки, но проводятся на небольшой площади. В то же время они дают возможность интерпретировать данные, относящиеся к огромным пространствам и даже ко всему земному шару. Широта охвата является характерной чертой спутниковых методов исследования Земли. К тому же эти методы, как правило, позволяют получить результат за сравнительно короткий интервал времени. Например, для Сибири с её бескрайними просторами спутниковые методы в настоящее время являются единственно приемлемыми.
Примеры изображений Земли из космоса представлены на рис. 1.1, а и б. На рис. 1.1, а показано изображение части озера Байкал, полученное со спутника NOAA (пространственное разрешение 1 км), на рис. 1.1, б изображение места впадения р. Селенги в озеро Байкал со спутника "Ресурс-О1-3"с разрешением 45 м (на рис. 1.1, а это место выделено прямоугольником).
Рис. 1.1 а. Изображение озера Байкал со спутника NOAA (разрешение 1,1 км)
На рис. 1.14 можно видеть радиолокационное изображение местности на юге Красноярского края, полученное с пилотируемого космического аппарата Shuttle (разрешение 100 м).
К
числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую спутник наблюдает Землю. Самый простой пример такого влияние – наличие облачности, закрывающей интересующие объекты и делающей невозможным наблюдения в оптическом диапазоне. Однако и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет восходящее излучение от объекта, особенно в полосах поглощения составляющих её газов. Поэтому приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что и в них есть поглощение и рассеяние излучения газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли сквозь облачность.
Рис. 1.1 б. Место впадения р. Селенги в озеро Байкал
Информация о Земле поступает со спутников, как правило, в виде цифровых изображений. Возникло новое направление цифровая фотография.
Современные спутниковые методы позволяют получать не только изображение Земли. Используя приборы, чувствительные к полосам поглощения атмосферных газов, удается измерять концентрацию, в том числе для газов, вызывающих парниковый эффект, вредных газов природного и антропогенного происхождения, несмотря на их относительно малое количество. Спутник "Метеор-3" с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и даже изучать вертикальные профили атмосферы (давление, температура, влажность на разных высотах в сотнях точек в полосе обзора).
Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При использовании активных методов на спутник устанавливают собственный источник энергии, которая посылается на Землю (лазер, радиолокационный передатчик); аппаратура спутника регистрирует отраженный сигнал. Радиолокация позволяет "видеть" Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли.
При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10–14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной минус 50 С, максимум излучения согласно (1.1) приходится на 12 мкм, при 50 С на 9 мкм.
1.2.2. Отражение и рассеяние солнечной энергии поверхностью
Установленная на спутнике аппаратура в видимом и ближнем ИК диапазоне регистрирует солнечную энергию, отраженную и рассеянную поверхностью Земли. Отражательная способность А это отношение количества (плотности потока) отраженной и рассеянной вверх радиации I0 к плотности потока падающей прямой радиации Солнца Ic: A=Io/Ic. Обычно говорят об общей отражательной способности для широкой области видимого и ближнего инфракрасного спектра и выражают А в %. Можно определять А и для отдельных участков спектра. Величина А для различных типов поверхности и различных участков спектра это ключ к распознаванию деталей на спутниковых изображениях Земли.
Для идеально матовой поверхности зависимость интенсивности радиации, рассеянной под углом к нормали к поверхности, в точности подчиняется закону Ламберта. Такую поверхность имеют, например, облака. Для других типов поверхности закон Ламберта выполняется приближенно.
Значение А зависит от свойств (в том числе от влажности) отражающей поверхности (трава, лес, почва и т. п.), от спектра падающей радиации прямой и рассеянной, от угла ее падения , рельефа и т. п. Так, зеленая растительность, образующая хорошо поглощающий слой, имеет низкое А около 5 % в видимой части спектра и большее А в ближней ИК области. У оголенных почв отражательная способность очень различна: у подзола всего 7 %, у сухого песка в красной части спектра до 37 % (и заметно меньше у влажного песка). И у растений, и у почвы А обычно растет с увеличением (при низком Солнце). В зимнем хвойном лесу снег, лежащий между деревьями, увеличивает A при малом и не влияет на А при косых солнечных лучах.
Особый интерес представляет отражательная способность растительного покрова, которая определяется пигментами листа, в особенности, хлорофиллом (рис. 1.5). В синей и красной области видимого диапазона отражательная способность листа низкая из-за наличия полос поглощения с центрами при 1 = 0,45 и 2 = 0,65 мкм. Поглощение между полосами, т. е. в зеленой области, незначительное, минимум поглощения, т. е. максимум отражательной способности лежит приблизительно при 0,54 мкм. Из-за этого нормальная, здоровая листва воспринимается глазом как зеленая. Когда растение находится в состоянии стресса и образование хлорофилла уменьшается, происходит уменьшение поглощения энергии в полосах 1 и 2, отражательная способность повышается, особенно это заметно глазом в красной области. Поэтому растение кажется желтоватым.
Рис. 1.5. Отражательная способность листа растения
При дистанционном зондировании поверхности Земли атмосфера является возмущающей средой, которая искажает спутниковые данные, а в некоторых участках электромагнитного диапазона, например в дальнем инфракрасном с длиной волны около 100 мкм, вообще препятствует дистанционному зондированию. С другой стороны, спектральные линии поглощения газов однозначно характеризуют эти газы, а интенсивность и ширина линий отражают физические параметры газов (температуру, плотность, общее количество молекул). Поэтому спектральные линии являются важным показателем при дистанционном зондировании самой атмосферы.
До высоты 100 км атмосферные газы равномерно перемешаны. К главным газам атмосферы относят кислород O2 (около 21 % воздуха по объему), азот N2 (около 78 %) и аргон Ar (несколько менее 1 %). Влияние их на наблюдение Земли из космоса незначительно.
Важным компонентом атмосферы является водяной пар, содержание которого в атмосфере не постоянно и относительно невелико. Он имеет очень большое число линий поглощения в инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра, начиная с = 0,72 мкм и далее у 0,81; 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,73,2; 6,3 мкм. Широкая линия поглощения с центром на 50 мкм перекрывает диапазон длин волн примерно от 10 мкм до 1 см.
Углекислый газ CO2 имеет две узкие линии поглощения при =2,7 мкм, = 4,26 мкм и вызывает сильное поглощение в дальней инфракрасной зоне спектра начиная с =13 мкм; центр линии приходится на = 15 мкм.
Известны 2030 газов, содержащихся в атмосфере в небольших количествах (так называемых малых газов), имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение. Некоторые из них, а также углекислый газ, могут оказывать влияние на климат Земли и на здоровье человека.
К числу малых газов естественного происхождения относят закись азота N2O и метан CH4 (результат деятельности бактерий), сернистый ангидрид SO2, сернистый карбонил COS, сероводород H2S и др. (вулканические выбросы). К числу малых газов относится также озон O3, возникающий в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.
К малым газам антропогенного происхождения относят отходы топок, производства, транспорта, сельского хозяйства: SO2, CO, хлороводород HCl, фреоны CClxFy и другие.
Естественный аэрозоль твердые и жидкие частицы, взвешенные в воздухе, включают космическую, вулканическую и почвенную минеральную пыль, пыльцу растений, частицы морской соли, капли облаков и туманов, частицы дыма лесных и торфяных пожаров. Антропогенный аэрозоль это частицы сажи, пепла, цемента и другие отходы производства и транспорта. Существенным источником загрязнения являются топки печей, ГРЭС, тепловые двигатели.
Малые газы, а также СO2 это многоатомные газы, имеющие электронные переходы с энергией диссоциации порядка 35 эВ, а также вращательно-колебательные переходы с энергией возбуждения порядка 0,1 эВ и менее. Первые из них могут быть возбуждены солнечным излучением УФ и видимого диапазона, вторые – квантами ИК и радиодиапазона.
Молекулы озона O3, находящиеся в основном в стратосфере, сильно влияют на общее поглощение только в одном небольшом участке инфракрасной зоны ( = 9,59 мкм). Однако озон активно поглощает энергию в ультрафиолетовой зоне и в зоне миллиметровых радиоволн. Например, слой озона толщиной всего 3 мм (при нормальном давлении и температуре) ослабляет УФ излучение Солнца с длиной волны = 0,255 мкм в 1040 раз. И озон, и другие газы при поглощении преобразуют энергию Солнца в тепловую.
Малые газы, водяной пар и CO2 вызывают ослабление излучения из-за дискретного поглощения в таких важных диапазонах длин волн, как ближний инфракрасный (~1 мкм) и тепловой инфракрасный ( >10 мкм). В результате в дальнем ИК прозрачным сохраняется только один широкий диапазон длин волн 8–12 мкм, в то время как в ближнем и среднем ИК в зоне длин волн менее 4 мкм имеются четыре узких диапазона, которые используются для дистанционною зондирования. Прозрачен и видимый диапазон, однако в наиболее коротковолновой его части (фиолетовый и голубой участки) велики "помехи" от молекулярного рассеяния солнечного света.
Рис. 1.6. Окна прозрачности атмосферы в оптическом диапазоне
Атмосфера не является прозрачной в дальней инфракрасной зоне спектра с длиной волны более 14 мкм. И только при длине волн намного длиннее этих (около 1 мм) атмосфера вновь становится все более прозрачной, поскольку лишь некоторые более слабые переходы вызывают поглощение. На рис. 1.6 показаны окна прозрачности атмосферы в ИК диапазоне.
Оптические методы изучения Земли из космоса
Первые изображения Земли из космоса были получены с помощью фотокамеры, эта методика применятся и в настоящее время. Спутник с фоторегистрацией “Ресурс-Ф1М” (Россия) позволяет фотографировать Землю в интервале длин волн от 0,4 до 0,9 мкм. Отснятые материалы спускаются на Землю и проявляются. Анализ снимков, как правило, проводится визуально с помощью проекционной аппаратуры, которая позволяет также получать цветные фотоотпечатки. Метод обеспечивает высокую геометрическую точность построения изображения; возможно увеличение снимков без заметного ухудшения качества. Однако он обладает плохой оперативностью; изображение представлено в виде фотографий, а не в цифровой форме; спектральный диапазон ограничен видимым и ближним ИК.
Этих недостатков лишены сканерные методы. Сканер с цилиндрической разверткой, в принципе, представляет собой маятник, закрепленный в одной т
очке и колеблющийся поперек направления движения аппарата (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Схема сканирования поверхности Земли
На конце маятника установлен объектив с точечным фотоприемным устройством (фотоэлектронный умножитель, фотодиод, фоторезистор) в фокальной плоскости. При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в видимом или ближнем ИК диапазоне того участка земной поверхности, на который в данный момент направлена ось объектива. Если фотоприемное устройство фоторезистор, то можно регистрировать излучение в тепловом ИК диапазоне и определять температуру поверхности и облаков. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зеркало, отражение от которого через объектив попадает на фотоприемное устройство. Сканерная информация в цифровой форме передается со спутника по радио в реальном времени или в записи на бортовой магнитофон; на Земле она обрабатывается на ЭВМ.
Линейный сканер содержит расположенные в линию неподвижные фоточувствительные элементы на приборах с зарядовой связью (ПЗС) линейку ПЗС или несколько таких линеек. Число фотоприемников в линейке достигает 1000 и более, длина линейки – порядка сантиметра. На линейки через объектив фокусируется изображение земной поверхности, все элементы
находятся в фокальной плоскости. Линейка ориентирована поперек направления движения спутника, она перемещается вместе со спутником, последовательно "считывая" сигнал, пропорциональный освещенности различных участков поверхности и облаков. Линейные сканеры на ПЗС работают в видимом и ближнем ИК диапазоне.
Сканер МСУ-СК устанавливается на российских спутниках "Ресурс-О" и др. Это единственный сканер, в котором реализован перспективный принцип конической развертки, заключающийся в перемещении визирного луча по поверхности конуса с осью, направленной в надир. Сканирующий луч описывает по сферической поверхности Земли дугу (обычно в переднем секторе сканирования). За счет перемещения спутника изображение представляет собой совокупность дуг. Достоинством такого вида развертки является постоянство угла между поверхностью Земли и направлением на спутник, что особенно важно при изучении растительности. Постоянным является также расстояние L от спутника до каждой точки дуги, так что разрешение сканера МСУ-СК, в отличие от сканеров с цилиндрической и линейной разверткой, постоянно по всему изображению. Так как L постоянно, то постоянно и атмосферное ослабление восходящего излучения для достаточно больших участков изображения. Поэтому, вообще говоря, нет необходимости проводить атмосферную коррекцию. Отсутствуют также искажения изображения за счет кривизны Земли, характерные для других сканеров.
Пространственное разрешение L зависит от параметров оптической системы и от расстояния L от спутника до объекта: L наилучшее (минимальное) в подспутниковой точке (надире), когда расстояние L минимально и равно высоте спутника над Землей. При отклонении от надира у сканеров с цилиндрической и линейной разверткой L увеличивается и разрешение становится хуже. Разрешение сканера AVHRR спутника NOAA в надире L=1,1 км, при максимальном отклонении сканера от направления в надир разрешение становится равным приблизительно 4 км. Сканер МСУ-Э спутника "Ресурс-О" имеет разрешение в надире L = 45 м.
|
