ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 3, с. 11-17
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.813
КОРРЕЛЯЦИЯ РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ДЛИНАХ ВОЛН 3.3 мм И 8.5 мм
© 2008 г. Г. С. Бордонский, А. А. Гурулев
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита E-mail:gsbord@chitaonline.ru; lgs255@mail.ru Поступила в редакцию 01.10.2007 г.
Приведены результаты корреляционного анализа наземных измерений радиояркостной температуры зимней атмосферы Забайкалья в окнах прозрачности на длинах волн 3.3 мм и 8.5 мм. Установлено, что коэффициент корреляции двух измеренных радиояркостных температур изменяется в пределах от 0.9 до —0.9. Наблюдаемый эффект можно объяснить существованием в кристаллических облаках пространственной дисперсии в микроволновом диапазоне и появлением в тепловом излучении волн Гинзбурга—Пекара.
ВВЕДЕНИЕ
Измерения радиотеплового излучения атмосферы позволяют определять ее параметры как при установке приборов на ИСЗ, так и при наземном базировании [1, 2]. Одной из задач дистанционного зондирования (ДЗ) является оценка фазового состава облаков. Считается, что до температуры —45°С в облаках возможно существование жидкокапельной фазы [3]. В настоящее время разработаны алгоритмы восстановления содержания водяного пара и жидкокапельной влаги при многоканальных измерениях как в сантиметровом, так и в миллиметровом диапазонах [4]. Однако при радиолокационном (РЛ) зондировании облаков, состоящих из капель и твердых частиц льда, возникают затруднения разделения вкладов двух видов частиц, так как необходимо найти свойства мелких частиц, которые бы дали возможность определять концентрации льда и жидкой воды.
В работах [5, 6] при изучении прохождения микроволнового излучения через пресный лед были обнаружены добавочные (или "новые") электромагнитные волны. Ранее они были предсказаны в кристаллооптике В.Л. Гинзбургом и С.И. Пекаром [7, 8]. Их необычность заключается в том, что они имеют ту же поляризацию, что и исходная волна, но несколько иное значение волнового вектора. Добавочные волны наблюдаются в средах с пространственной дисперсией, для которых компоненты тензора диэлектрической проницаемости зависят не только от частоты, но и от волнового вектора. Таким объектом, например, является среда, имеющая периодическую структуру, с периодом, близким к длине волны излучения. При распространении электромагнитной волны в среде с пространственной дисперсией наблюдаются биения двух волн с чередо-
ванием максимумов и минимумов [7, 8]. Однако их наблюдения затруднены, поскольку даже в кристаллооптике период кристаллической решетки существенно меньше длины волны. Биения, по-видимому, наблюдались лишь вблизи линий экси-тонного поглощения в кристаллах из-за роста коэффициента преломления (и существенного уменьшения длины волны излучения в среде) [7].
В природной среде до настоящего времени добавочные волны не наблюдались, так как в природе редки периодические структуры большой протяженности. Поэтому обнаружение добавочных волн во льду в микроволновом диапазоне явилось неожиданным [9]. Первоначально предполагалось, что указанный выше эффект связан с кристаллическим строением льда, в котором кристаллы имеют определенные размеры и разделены тонкими пленками жидкой воды [5, 6]. Однако эксперименты показали, что пространственная дисперсия льда наблюдается в широком интервале длин волн от метрового до миллиметрового диапазонов [8]. Поэтому возник вопрос о механизме пространственной дисперсии льда. Периодичность среды может быть связана с кристаллическим строением, но периодичность электрических свойств порождается и другими параметрами — например, акустическими волнами, а в случае нелинейных сред — параметрическими эффектами [10].
Другой важный вопрос заключается в следующем: наблюдаются ли добавочные волны в дисперсной среде, например, снегопадах или кристаллических облаках, содержащих небольшие кристаллы льда, или они возникают лишь в непрерывной среде? Ответ на него позволит сделать определенные выводы о физическом механизме появления пространственной дисперсии льда в микроволновом диапазоне.
X = 3.3 мм
Г^чг " X = 8.5 мм
ставлена в первом приближении в виде суммы следующих членов:
Тя = Тфв + Тл + Тв + Тр,
(1)
'1
Рис. 1. Ожидаемое изменение радиояр костной температуры облачной атмосферы при измерениях нисходящего излучения на длинах волн и ^2 при проявлении пространственной дисперсии льда и медленном изменении электрических свойств среды во времени (сплошная линия, гипотетическая кривая). Штриховой линией отмечен случай отсутствия добавочных волн, т.е. отсутствия интерференции в тепловом излучении при росте радиояркости.
Цель настоящей работы — экспериментально исследовать радиофизические свойства зимних облаков на предмет возникновения в них добавочных электромагнитных волн. Если эффект пространственной дисперсии существует в кристаллических облаках, это позволит отделять вклады радиосигналов от капельных и ледяных частиц.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Идея эксперимента по поиску пространственной дисперсии в кристаллических облаках заключается в анализе их радиотеплового излучения. Как известно, любое поглощающее полупрозрачное тело является источником теплового излучения. Если в поглощающей дисперсной среде будут образовываться добавочные волны, то при распространении теплового излучения в узкой полосе частот из-за наложения двух видов волн — исходной, излучаемой средой, и добавочной, порождаемой при распространении исходной волны, — должны наблюдаться интерференционные максимумы и минимумы. Интерференция может проявляться и в случае неподвижных приемника и облака, если параметры объекта (его толщина, плотность, температура) меняются во времени.
Радиояркостная температура атмосферы (Тя) с малым водозапасом при наземной установке аппаратуры для обычной среды может быть пред-
где Тф — фоновая температура; О — коэффициент передачи излучения через облачные слои, Тл — температура, связанная с излучением ледяных частиц; Тв — температура излучения капелек незамерзшей воды; Тр — температура рассеянного частицами излучения поверхности Земли.
Величина ТфО мала, так как Тф — порядка нескольких градусов; то же для Тр, если размер частиц а < X (X — длина волны излучения). Тогда основной вклад определяется Тл и Тр.
Типичные размеры частичек в облаках — десятки мкм. В таком случае радиояркостная температура пропорциональна толщине облака и его водности. Данное предположение оказывается справедливым на частотах до 94 ГГц даже в случае дождя и при учете однократного рассеяния, когда капли имеют более крупные размеры [11].
Если предположить, что в облачной среде возникнут волны Гинзбурга—Пекара, то возникнут пульсации Тя во времени. Пульсации, как отмечалось выше, могут возникнуть из-за изменения состояния облаков (температуры, толщины и т.д.) в диаграмме направленности антенн радиометра. В качестве примера на рис. 1 приведены зависимости Тя от времени при росте радиояркостной температуры. Сплошными линиями приведены гипотетические зависимости мощности излучения при существовании дополнительных волн, штриховыми представлен случай их отсутствия. На различных длинах волн интерференционные максимумы и минимумы Тя не будут совпадать.
На этой особенности основан предлагаемый способ обнаружения добавочных волн. Он связан с вычислением коэффициента корреляции К1 измеренной радиояркостной температуры для двух длин волн.
Как следует из рис. 1, в интервале времени Г1 — Г2 коэффициент корреляции Тя для двух длин волн имеет положительное значение, так как мощность радиотеплового излучения растет. На интервале Г2 — Г3 корреляция отрицательная, так как в двух каналах приращения сигнала имеют разный знак. При отсутствии добавочных волн (для частиц из жидкой воды) коэффициент корреляции положителен, так как рост толщины облака на частотах до 94 ГГц всегда приводит к росту поглощения (и росту Тя) на обеих длинах волн и наоборот [11].
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Существование в облаках незамерзшей воды при отрицательных температурах требует проведения измерений в зимнее время, когда в облаках она
я
'2 3
Г
K 1.0
10:30 t
-0.5
-1.0
Рис. 2. Измеренные коэффициенты корреляции радиояркостной температуры для двух длин волн в ночные и утренние часы 14 декабря 2006 г.
опускается до значений, близких к —45°С. В этом случае можно ожидать, что облака становятся почти полностью кристаллическими. Данные условия выполняются в зимнее время в Забайкалье в условиях резко континентального климата. При экспериментах в декабре — январе температура в приземном слое опускалась в некоторые дни ниже —40°С. Контроль за высотным профилем температуры выполнялся с использованием данных метеозондов, запускаемых Читинской метеостанцией и представленных на сайте Department of Atmospheric Science University of Wyoming [12].
Поскольку ожидалось, что эффект может быть обнаружен для тонких кристаллических облаков, то были использованы длины волн миллиметрового диапазона, где погонное затухание наибольшее.
Измерения нисходящего радиотеплового излучения выполнены с использованием двух радиометров со средними частотами 35.5 и 90 ГГц, полосы частот радиометров 2.4 и 2.8 ГГц соответственно. Флуктуационный порог чувствительности 0.12 К (35.5 ГГц) и 0.08 К (90 ГГц) при постоянной времени 1 с. Кроме СВЧ-радиометров при измерениях использовался ИК-радиометр с полосой в интервале длин волн 7—14 мкм и флукту-ационным порогом чувствительности 0.02 К. ИК-радиометр использовали для оценки температуры нижней границы облаков. Рупорные антенны СВЧ-радиометров и телескоп линзовой системы ИК-радиометра имели ширины диаграмм направленности около 6°. Все три радиометра юстировались по излучению Солнца для совмещения электрических осей антенн и телескопа.
Наблюдения выполнялись при установке приборов в центре г. Читы на здании Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (высота над уровнем моря ~600 м) и на стационаре в 30 км от города на Яблоневом хребте на высоте около 1 км над уровнем моря. Выполнялись непрерывные серии измерений в течении
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.