ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 76-97

Микроволновые радиометрические исследования морской поверхности

А.В. Кузьмин 1 , И.А. Репина 2, 1 , И.Н. Садовский 1 , А.Б. Селунский 1 
1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
В работе представлен обзор основных научных результатов в области микроволновых радиометрических исследований морской поверхности, выполненных коллективом сотрудников ИКИ РАН. Приведено описание теоретических исследований формирования собственного электромагнитного излучения взволнованной морской поверхности. Особое внимание уделено проблеме учета излучения коротких гравитационно-капиллярных волн, представлены методы и подходы к решению данного вопроса, существующие в настоящее время. Значительная часть обзора посвящена описанию экспериментальных исследований, проводимых коллективом на протяжении нескольких десятков лет. Среди основных результатов, полученных в ходе самолетных экспериментов, можно выделить обнаружение эффекта азимутальной анизотропии собственного излучения морской поверхности (лежащего в основе современных методов определения скорости ветра над океаном) и резонансного механизма его формирования мелкомасштабными компонентами волнения. Развитием последнего стало формирование новой теории, получившей название теории "критических явлений". Детальное изучение отдельных ее положений продолжается и в настоящее время в рамках лабораторных исследований. Основное внимание в ходе многочисленных натурных экспериментов, реализуемых коллективом из ИКИ РАН на базе двух полигонов – Южного Отделения ИО РАН и МГИ РАН, уделяется исследованию процессов взаимодействия системы океан – атмосфера. Важной частью работ является определение спектров ветровых волн методом НРРС, разработанным в ИКИ, и выявление их связи с набором гидрометеопараметров. Все измерения проводятся с использованием комплекса радиометров-поляриметров, разработанных сотрудниками Отдела исследований Земли из космоса. В настоящее время, новый этап в проводимых исследованиях и технических разработках связан с включением проекта "Конвергенция" в программу долгосрочных научных исследований на Российском сегменте МКС.
Ключевые слова: микроволновый радиометр, радиометрия, радиополяриметрические измерения, морская поверхность, собственное излучение, теория микроволнового излучения, критические явления, натурный эксперимент, поляризационная анизотропия, гравитационно-капиллярное волнение, спектр ГКВ, скорость и направление ветра
Полный текст

Список литературы:

  1. Астафьева Н.М., Раев М.Д., Шарков Е.А. Межгодовые изменения радиотеплового поля Земли по данным микроволнового спутникового мониторинга // Исследование Земли из космоса. 2008. № 5. С. 9–15.
  2. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1972. 188 с.
  3. Беспалова Е.А., Веселов В.М., Глотов А.А., Милицкий Ю.А., Мировский В.Г., Покровская И.В., Попов А.Е., Раев М.Д., Шарков Е.А., Эткин В.С. Исследование анизотропии ветрового волнения по вариациям поляризованного теплового излучения // Докл. АН СССР. 1979. Т. 246. № 6. С. 1482–1485.
  4. Булатов, М.Г., Ю.А. Кравцов, А.В. Кузьмин, О.Ю. Лаврова, М.И. Митягина, М.Д. Раев, Е.И. Скворцов, Д.В. Александров Микроволновые исследования морской поверхности в прибрежной зоне (Геленджик 1999–2002). М.: КДУ, 2003. 143 с.
  5. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979, 386 с.
  6. Гершензон В.Е., Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Азимутальные эффекты при критических явлениях в тепловом радиоизлучении шероховатой поверхности: Препринт Пр-1104. М.: ИКИ АН СССР, 1986. 26 с.
  7. Гречко С.И., Ирисов В.Г., Кузьмин А.В., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Характеристики собственного СВЧ-излучения морской поверхности на настильных углах наблюдения: Препринт Пр-1729. М.: ИКИ РАН, 1991. 41 с.
  8. Дзюра М.С., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Способ дистанционного определения скорости и направления ветра над водной поверхностью: А.С. 1582849 от 23.05.1988 // Бюллетень изобретений. 1993. №№45–46.
  9. Ермаков Д.М., Раев М.Д., Суслов А.И., Шарков Е.А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля Земли в контексте многомасштабного исследования системы океан-атмосфера // Исследование Земли из космоса. 2007. № 1. С. 7–13.
  10. Ирисов В.Г. Исследование излучения электромагнитных волн периодически неровной поверхностью: Препринт Пр-944. М.: ИКИ АН СССР, 1984. 18 с.
  11. Ирисов В.Г., Кузьмин А.В., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Азимутальные зависимости собственного СВЧ-излучения поверхности океана на настильных углах наблюдения // Исследования Земли из космоса. 1990. № 6. С. 99–107.
  12. Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Радиотепловая спектроскопия морской поверхности // ДАН СССР. 1987. Т. 297. № 3. С. 587–589.
  13. Кравцов Ю.А., Мировская Е.А., Попов Е.А., Троицкий И.А., Эткин В.С. Критические явления при тепловом изучении периодически неровной водной поверхности // Изв. АН СССР. ФАО. 1978. Т. 14. № 7. С. 733–739.
  14. Кузьмин А.В., Горячкин Ю.А., Ермаков Д.М., Ермаков С.А., Комарова Н.Ю., Кузнецов А.С., Репина И.А., Садовский И.Н., Смирнов М.Т., Шарков Е.А., Чухарев А.М. Морская гидрофизическая платформа “Кацивели” как подспутниковый полигон на Черном море// Исследование Земли из космоса. 2009. № 1. С. 31–44.
  15. Милицкий Ю.А., Райзер В.Ю., Шарков Е.А., Эткин В.С., О тепловом радиоизлучении пенообразных структур // ЖТФ. 1978. Т. 48. № 5. С. 1031–1033.
  16. Райзер В.Ю., Шарков Е.А. К вопросу об электродинамическом описании плотно упакованных дисперсных систем // Известия ВУЗов. Радиофизика, 1981. Т. 27. № 7. С. 809–818.
  17. Садовский И.Н. (2008а) Методика восстановления параметров спектра ветрового волнения на основе данных угловых радиополяриметрических измерений // Исследование Земли из космоса. 2008. № 6. С. 1–7.
  18. Садовский И.Н. (2008б) Методика дистанционного определения характеристик ветрового волнения: 1. Расчет радиояркостных контрастов взволнованной водной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Выпуск 5. Том II. 2008. С. 192–198.
  19. Садовский И.Н. Особенности учета вклада длинноволновых компонент волнения в приращение излучательной способности морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т.9. № 1. С. 228–239.
  20. Садовский И.Н. Поляризационные радиотепловые методы в исследованиях параметров морского волнения: Дис. канд. физ.-мат. наук. 01.04.01. М., 2007. 184 с.
  21. Садовский И.Н., Сазонов Д.С. Исследование динамики спектра ГКВ по результатам серии натурных экспериментов «CAPMOS» // Восьмая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: Тез. докл. М.: ИКИ РАН, 2010. С. 229.
  22. Садовский И.Н., Шарков Е.А., Кузьмин А.В., Сазонов Д.С., Пашинов Е.В. Обзор моделей комплексной диэлектрической проницаемости водной среды, применяемых в практике дистанционного зондирования // Исследование Земли из космоса. 2014. № 6. С. 79–92.
  23. Садовский И.Н., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н. Исследование параметров спектра ветрового волнения по данным дистанционных радиополяриметрических измерений // Исследование Земли из космоса. 2009. № 2. С. 1–8.
  24. Сазонов Д.С., Дулов В.А., Садовский И.Н., Чечина Е.В., Кузьмин А.В. Подспутниковые измерения асимметрии уклонов ветровых волн гравитационного диапазона // Украинский метрологический журнал. 2014. № 1. С. 54–58.
  25. Селунский А.Б., Кузьмин А.В., Комарова Н.Ю. Тепловое поглощение плоской электромагнитной волны произвольной поляризации на синусоидальной границе водной поверхности. Препринт Пр-2171. М.: ИКИ РАН, 2013.
  26. Семин А.Г., Кузьмин А.В., Хапин Ю.Б., Шарков Е.А. Использование резонансных линий 22,2; 183 и 325 ГГц для восстановления детальных вертикальных профилей водяного пара в тропической атмосфере // Исследование Земли из космоса. 2013. № 1. С. 1–6.
  27. Семин А.Г., Кузьмин А.В., Хапин Ю.Б., Шарков Е.А. О возможности восстановления вертикального распределения водяного пара в атмосфере тропиков по измерениям в линии 183 ГГц из космоса // Исследование Земли из космоса. 2012. № 2. С. 41–52.
  28. Стерлядкин В.В., Шарков Е.А. Дифференциальные радиотепловые методы определения вертикального профиля водяного пара в тропосфере и стратосфере Земли // Исследование Земли из космоса. 2014. № 5. С. 15–28.
  29. Трохимовский Ю.Г. Модель радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности // Исследование Земли из космоса. 1997. № 1. С. 39–49.
  30. Трохимовский Ю.Г., Хапин Ю.Б., Эткин В.С. Поляризационные и спектральные характеристики радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности моря: Препринт Пр-821. М.: ИКИ АН СССР, 1983. 36 с.
  31. Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Лабораторные и натурные исследования критических явлений в радиотепловом излучении взволнованной водной поверхности: Препринт Пр-988. М.: ИКИ АН СССР, 1985. 23 с.
  32. Эткин В.С., Ворсин Н.Н., Кравцов Ю.А., Мировский В.Г., Никитин В.В., Попов А.Е., Троицкий И.А. Обнаружение критических явлений при тепловом радиоизлучении периодически неровной водной поверхности // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1978. Т. 21. № 3. С. 454–456.
  33. Bulatov M.G., Raev M.D., Skvortsov E.I. Experimental study of the Third Stokes Parameter in microwave emission from the sea surface perturbed by rain // Physics of Vibrations. 2000. Vol. 8 (3). P. 172–178.
  34. Bulatov M.G., Kravtsov Yu.A., Litovchenko K.C., Pungin V.G., Raev M.D., Sabinin K.D., Skvortsov E.I. Microwave backscatter and self emission of the sea surface perturbed by gas bubble flow // Doklady Earth Sciences. Vol. 381. No. 8. October-November 2001. P. 964–966.
  35. Etkin V.S., Kuzmin A.V., Pospelov M.N., Smirnov A.I., Yakovlev V.V. The determination of sea surface wind and temperature with airborne radiometric data (Joint US/Russia Internal Waves Remote Sensing Experiment) // Proc. IGARSS'93, Tokyo, Japan. 1993. P. 1622–1624.
  36. Gasparovic R.F., Etkin V.S. // Proc. IGARSS'94, Pasadena. 1994. P. 741–743.
  37. Irisov V. G. Small-slope expansion for thermal and reflected radiation from a rough surface // Waves Random Media. 1997. Vol. 7. P. 1–10.
  38. Kravtsov Yu.A., Kuz'min A.V., Lavrova O.Yu., Mitnik L.M., Mityagina M.M., Sabinin K.D., Trokhimovskii Yu.G. Surface manifestation of oceanic internal waves viewed in radar images polarization features // Earth observation and Remote Sensing. 2000. Vol. 15. No. 6. P. 909–926.
  39. Kuzmin A., Pospelov M., Trokhimovskii Yu. Sea surface parameters retrieval by passive microwave polarimetry // Microwave Radiometry and Remote Sensing of the Earth’s Surface and Atmosphere. Eds. P. Pampaloni, S. Paloscia. Zeist, The Netherlands. VSP Intern. Science Publishers, 2000. P. 3–11.
  40. Pospelov M.N., De Biasio F., Goryachkin Y.N., Komarova N.Y., Kuzmin A.V., Pampaloni P., Repina I.A., Sadovsky I.N., Zecchetto S. Air–sea interaction in a coastal zone: The results of the CAPMOS'05 experiment on an oceanographic platform in the Black Sea // Atmospheric Research. 2009. Vol. 94. No. 1. P. 61–73.
  41. Repina I., Artamonov A., Chukharev A., Esau I., Goryachkin Y., Kuzmin A., Pospelov M., Sadovsky I., Smirnov M. Air-sea interaction under low and moderate winds in the Black Sea coastal zone // Estonian Journal of Engineering. 2012. Vol. 18. No. 2. P. 89–101. doi: 10.3176/eng.2012.2.01.
  42. Sadovsky I.N., Kuzmin A.V., Pospelov M.N. Dynamics of Short Sea Wave Spectrum Estimated From Microwave Radiometric Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009. Vol. 47. No. 9. P. 3051–3056.
  43. Sadovsky I., Kuzmin A., Pospelov M. The angular dependence of the Stokes parameters of thermal radio-emission from the rough water surface // Program and abstracts of 8th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Application, 24–27 Feb., 2004, Rome, Italy. 2004. P. 185.
  44. Semyonov B. I. Approximate computation of scattering of electromagnetic waves by rough surface contours // Radio Eng. Electron Phys. 1966. Vol. 1. P. 1179–1187.
  45. Trokhimovski Yu., Kuzmin A., Pospelov M., Irisov V., Sadovsky I. Laboratory polarimetric measurements of microwave emission from capillary waves // Radio Science. 2003. Vol. 38. No. 3. P. 8039.
  46. Trokhimovski Yu.G., Bolotnikova G.A., Etkin V.S., Grechko S.I., Kuzmin A.V. The dependence of S-band sea surface brightness temperature on wind vector at normal incidence // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1995. Vol. 33. No. 4. P. 1085–1088.
  47. Voronovich A.G. Small-slope approximation in wave scattering by rough surfaces // Sov. Phys. JETP. 1985. Vol. 62. P. 65–70.