ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 3, с. 3-15
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 550.361:551+519.717
ДИНАМИКА УХОДЯЩЕГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ СЪЕМКИ СО СПУТНИКОВ NOAA И TERRA
© 2009 г. Н. В. Вилор1*, В. А. Русанов2, Д. Ю. Шарпинский2
Институт геохимии СО РАН, Иркутск 2Институт динамики систем и теории управления СО РАН, Иркутск *E-mail: vilor@igc.irk.ru Поступила в редакцию 13.10.2007 г.
Приведены описание и анализ пространственно-временных вариаций ИК-эмиссии, измеренной с ИСЗ серии NOAA и Terra на региональных разломах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) и краевом шве южного ограничения Сибирской платформы. Определена спектральная область наибольшей мощности ИК-излучения разломов, связанная с низкочастотными колебаниями при длине геометрической волны 94.231 км и амплитуде около 2.2 мВт/м2 стр мкм, для аналитического представления которой достаточно полинома четвертой степени. Энергетический вклад излучающих поверхностных элементов с длиной геометрической волны < 5 км практически незначим. Распределение основной мощности ИК-эмиссии на низкочастотных длиннопериодических колебаниях обусловлено поперечными изгибами-деформациями разломов.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. СВОЙСТВА УХОДЯЩЕГО ПОВЕРХНОСТНОГО ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
Вариации геотемпературного поля поверхности Земли, экспонируемого уходящим инфракрасным (ИК) излучением, слагаются из внешних и внутренних источников [1]. Первые связаны с поступлением и распределением солнечной энергии и возбужденными им биогенными и абиогенными физико-химическими процессами. Вторые имеют происхождение от верхней конвективной части глубинного теплопотока и проявляются в виде поверхностного потока, составляющего около 60 мВт/м2 [2]. Области современного и недавнего вулканизма с активной геотермальной деятельностью и высоко сейсмические районы выделяются его большими значениями и фиксируются аэротепловой съемкой [3]. В них дифференциация распределения ИК-эмиссии усиливается при контрастной структуре поверхности, обусловленной сочетанием форм рельефа с элементами геологического строения, среди которых резко выражены тектонические разломы. Комплексное исследование генезиса, временной и пространственной динамики уходящего поверхностного ИК-потока в сейсмоактивных зонах, представленное в данной работе, приведено для Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), где аномальное распределение ИК-потока впервые обнаружено с помощью средств дистанционного зондирования (ДЗ) с ИСЗ серии МОАА [4, 5]. В этом регионе установлено тесное пространственное совмещение и
генетическая связь уходящего ИК-излучения с тектоническими элементами геологической структуры — сейсмоактивными разломами различной кинематики [6]. На основе априорной посылки об ассоциации интенсивности ИК-излуче-ния с сейсмологическими свойствами разломов установлена значимая корреляция этих параметров [7]. В статье с целью дальнейшего изучения собственной ИК-эмиссии Земли рассмотрена динамика вариаций распределения поверхностного ИК-излучения на сочленении области внутрикон-тинентального рифтогенеза — БРЗ с Сибирской платформой и складчатым поясом. В обосновании необходимости проведенного исследования сформулирована задача описания и анализа пространственно-временной изменчивости поверхностной ИК-эмиссии крупных региональных разломов и краевого шва на южном ограничении платформы, которые выделяются наиболее контрастным излучением, в соотношениях с внутренними и внешними факторами его формирования.
Собственное уходящее поверхностное ИК-из-лучение с генерализованным представлением интенсивности вне зависимости от времени суток фиксируется орбитальными радиометрами ИСЗ серий NOAA и Terra и, как установлено в итоге многолетнего изучения районов со сложной геологической структурой поверхности [6—9], выделяется следующими признаками-свойствами:
— уходящее ИК-излучение с повышенной интенсивностью и контрастностью располагается на поверхности сейсмически активных современ-
ных разломов и определенных литологических комплексов;
— поверхностные формы аномального уходящего ИК-излучения наблюдаются в виде линейной, линейно-контурной, полосовидной и аре-альной разновидностей;
— ИК-излучение первых двух разновидностей локализовано на приразломных тектогенных склонах независимо от их экспозиции относительно дневной солнечной радиации;
— проекция излучающей поверхности сужается с увеличением крутизны склонов до средней ширины — 4—6 км, у двух последних разновидностей она расширяется до 35 км;
— линейная и линейно-контурная разновидности уходящего излучения характеризуются узкими максимумами интенсивности, у полосовидной и ареальной они более широкие с градиентами в краевых частях;
— излучение наиболее контрастно в ночное время осеннего и зимнего сезонов; на заснеженной поверхности все локальные объекты отчетливо выделяются повышенным уровнем собственной ИК-эмиссии;
— интенсивность ИК-излучения неоднородна на протяженности излучающих поверхностей и изменяется по временной (сезонной) координате.
Влияние внешних факторов, особенно в боре-ально-гумидной и гумидной климатических зонах, выражается биосферным откликом в виде появления высоко продуктивных экосистем при повышенном тепловом эндопотоке [10]. Интенсивность собственного уходящего ИК-излучения земной поверхности, фиксируемого радиометрами ИС, определяется коэффициентом излучения, зависящим от свойств подстилающего субстрата таких как термодинамическая температура, теплоемкость, состав, происходящие физические и химические процессы.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ И МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Представляемый подход к изучению характеристик вариаций ИК-потока основан на совмещении изучения описанного в работах [4, 5] аномального уходящего ИК-излучения структурных элементов земной поверхности с его математическим исследованием. Инструментальной основой для анализа этого природного феномена являются изображения поверхности, передаваемые по пяти каналам от искусственных спутников Земли — космических аппаратов серий NOAA и Terra, в том числе по тепловым каналам 3.7, 8 и 10—11 мкм, от радиометров AVHRR и MODIS. Их обзорные наблюдения позволяют наиболее полно исключить влияния солнечного нагрева поверхности Земли в
пролетах позднего ночного времени второй половины осеннего сезона и начала зимы и провести съемку собственного уходящего ИК-излучения земной поверхности. В обобщение включены как отдельные безоблачные сцены, так и мультивре-менной композитный имидж, полученный на основе многолетнего архива изображений в поздне-осенний и зимний сезон. Измерен уходящий поток как интегральный, так и селективный для диапазона длин волн в тепловом интервале 3.7, 8 и 10 мкм.
Массив спутниковых данных привлечен в определение зависимости уходящего ИК-потока от наземной термодинамической температуры подспутниковой территории. Для оценки ее влияния на небольшую по мощности эмиссию ИК-потока применен способ его измерения на профилях, ориентированных через региональные разломы Тункинский, Приморский, Баргузинский и юго-западную часть краевого шва Сибирской платформы с определением сезонных среднемесячных интенсивностей излучения. В математическом исследовании использованы массивы значений потока по протяженности — простиранию перечисленных крупнейших структурных элементов на композитном имидже, оцененные способом измерения максимальных ИК-интенсив-ностей в каждом пикселе, т.е. расположенные примерно через 1 км по их длине. Основной задачей исследования было привлечение аналитического подхода к изучению изменчивости процесса с целью поиска регуляризации и получения колебательных характеристик.
При математическом исследовании вариаций поверхностного ИК-потока по протяженности достаточно изученного Тункинского разлома в пределах наиболее мощного спектрального интервала 10 мкм, наблюдаемого с ИСЗ, в качестве программной среды была применена вычислительная система MATLAB (пакет Signal Processing Toolbox) [11]. Методика расчета включает статистическую обработку спутниковых сигналов (исходные данные: массив значений интенсивности потока ИК-излучения вдоль изученных разломов с шагом 1 км) и их пространственно-энергетический спектральный анализ [12], состоящий из следующих действий:
— сплайновой интерполяции дискретных замеров потока ИК- излучения на треке L (L -протяженность, по которой измерялся поток) данного разлома для формирования непрерывной функции f (l), l е L пространственных колебаний ИК-потока (использована функция spline системы MATLAB);
- оценки спектральной плотности мощности колебаний ИК-потока посредством преобразования Фурье функции процесса f(l) для определения распределения мощности в зависимости от
Таблица 1. Размеры крупных региональных разломов БРЗ
Разлом Протяженность, км Ширина области ИК-излучения, км Кинематика разлома
Тункинский 130 5-7 Сбросо-сдвиг
Приморский 200 2-5 Сдвиго-сброс
Баргузинский 200 4 Сброс
Верхне-Ангарский 95 3-4 Сброс
Краевой шов Сибирской платформы 400 8 и более Кулисные сбросо-сдвиги
геометрической длины волны (используемые функции: periodogramm, pmtm, pwelch);
— аппроксимации процесса f (l) полиноминальной функцией "сглаживания" — sn(l), где n — степень полинома, методом наименьших квадратов (функция polyfit) для выделения низкочастотной составляющей;
— определения координат экстремальных точек низкочастотного распределения колебаний потока ИК-излучения: нахождение точек локального минимума — minsn(l) и максимума — max sn(l), l е L;
— выделения высокочастотного распределения колебаний потока ИК-излучения через вычисление функции hn(l) = f (l) — sn(l);
— установление по разлому зон флуктуаций распределения колебаний потока ИК-излучения через вычисление функции ф(/) := sign hn(l).
Посредством функций sn(l) и hn(l) оценен вклад низко- и высокочастотного геометрического диапазона в интегральную мощность ИК-потока. Выявленная периодичность вариаций характеризует энергетически доминирующие параметры уходящего поверхностного ИК-излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ. ФАКТОРЫ
ПЕРИОДИЧНОСТ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.