ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 4, с. 3-7
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 538.566
ВОЗМОЖНЫЕ ОШИБКИ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ЛЕДЯНЫХ ПОКРОВОВ
© 2007 г. Г. С. Бордонский, А. А. Гурулев
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита
E-mail: lgc255@mail.ru Поступила в редакцию 12.09.2006 г.
Радиолокационные исследования структуры ледяных покровов базируются на представлении о том, что электромагнитные свойства льда хорошо изучены. Представлены результаты новых экспериментов, свидетельствующие о существовании во льду пространственной дисперсии в широком интервале частот от 1.6 ГГц до 14 ГГц, вызывающей появление дополнительных волн (волн Гинзбур-га-Пекара). Их интерференция может привести к ошибкам при интерпретации данных радиозондирования ледяных покровов.
ВВЕДЕНИЕ
Криосферные образования, такие как снежный и ледяной покровы, наледи, ледники, эффективно изучаются методами радиозондирования [1, 2]. Например, методами активной радиолокации обнаружено свыше 150 подледниковых озер в Антарктиде [3]. Некоторые из них расположены на глубинах более 3.5 км. На основании радиолокационных (РЛ) исследований осуществляется многолетний проект бурения ледяного щита Антарктиды вблизи станции Восток на глубину 3650 м для проникновения в подледниковое озеро. Планируется его завершение в 2008 г. Одна из целей проекта заключается во взятии проб воды под-ледникового озера, которая по предположениям может содержать реликтовые организмы. Их исследование представляет интерес для изучения истории биосферы.
Однако в последнее время возникли сомнения по поводу изолированности подледниковых озер, также основанные на данных РЛ-исследований. По результатам спутниковых измерений с использованием SAR ИСЗ ERS-2 британские исследователи установили скачкообразное изменение высоты поверхности льда [3]. Поэтому было высказано мнение, что наблюдаемый эффект объясняется связью подледниковых озер между собой и с водами океана.
Следует отметить, что интерпретация результатов радиозондирования внутренней структуры ледников основана на представлении о том, что лед является средой с хорошо известными параметрами, требующими лишь незначительного уточнения. Цель настоящей работы - обратить внимание на существование специфических электромагнитных свойств пресного природного льда, обнаруженные в работах [4, 5] на частотах 6 и 13 ГГц. Эти свойства связаны с проявлением пространственной диспер-
сии льда и появлением добавочных волн (или "новых" волн, по терминологии В.Л.Гинзбурга [6]). В статье приводятся также данные последних измерений в более широкой полосе частот от 1.6 ГГц до 14 ГГц. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости в ряде случаев учитывать пространственную дисперсию льда, которая из-за интерференции основной и дополнительной волн может существенным образом исказить результаты при интерпретации радиозондирования ледяных тел.
ПРОЯВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ ПРИ РАДИОЗОНДИРОВАНИИ
Диэлектрические свойства сплошных сред в зависимости от частоты внешнего поля ю в каждой точке пространства характеризуются тензором диэлектрической проницаемости е^ю). Однако компоненты тензора могут зависеть от волнового вектора к, что приводит к пространственной дисперсии [6]. Эффекты последней в среде определяются соотношениями а/Х, где а - некоторый размер, характеризующий среду, например, параметр решетки и т.п.; Х - длина волны в среде. Одним из эффектов пространственной дисперсии, предсказанным в [6, 7], является появление "новых", или добавочных, волн, имеющих другое значение волнового вектора при неизменных частоте и поляризации. Если "новая" волна достаточно интенсивна, то ее интерференция с исходной волной может приводить к заметным осцил-ляциям поля при его распространении.
Для природных сред в микроволновом диапазоне эффекты пространственной дисперсии практически не изучены. Они слабы из-за малого значения а/Х и отсутствия выраженной периодично-
4
БОРДОНСКИЙ, ГУРУЛЕВ
сти структур на значительных расстояниях. Вместе с тем в недавних работах [4, 5] сообщалось об обнаружении "новых" волн Гинзбурга-Пекара вблизи частоты 13 ГГц в ледяном покрове пресного озера при его радиопросвечивании на дистанции порядка 100 м. В эксперименте приемник и передатчик углублялись в ледяной покров, и выполнялись измерения проходящей мощности излучения как при неизменном расстоянии между ними, так и при перемещении приборов по линии, их соединяющей. Изменение расстояния выполнялось путем сближения приборов при последовательном изготовлении углублений во льду. При увеличении расстояния между приемником и передатчиком, кроме монотонного падения мощности, принимаемого излучения наблюдалась ее осцилляция с определенным пространственным периодом.
Выполненные эксперименты показали, что длина волны биений зависит от температуры льда. Разница между значениями коэффициентов преломления для обычной и "новой" волн растет по мере приближения к 0°С. Этот эффект хорошо заметен в лабораторном эксперименте при измерениях резонансной частоты пропускания резонатора, полностью заполненного льдом [4]. При нагревании льда до почти полного исчезновения проходящего сигнала наблюдалось раздвоение резонансной линии пропускания прямоугольного резонатора. При этом лед нагревался до температуры порядка сотых долей градуса ниже 0°С. Лабораторные измерения были выполнены вблизи частоты 6 ГГц, и расщепление резонансной линии составляло 60-70 МГц.
Существование двух близких значений коэффициентов преломления льда для излучения на одной поляризации требует уточнения методов радиозондирования ледяных объектов. Вместе с тем выполненные в [4, 5] исследования касаются частот 6 и 13 ГГц. Прежде чем делать общие выводы, следует изучить эффект в более широком интервале частот. Поэтому нами были выполнены измерения эффектов проявления дополнительных волн при радиопросвечивании пресного ледяного покрова на частотах 1.6, 2.4 и 5.3 ГГц. Кроме того, исследовалось прохождение излучения с помощью перестраиваемого генератора в полосе частот 13-14 ГГц.
НОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Методика проведения экспериментов в общих чертах аналогична представленной в работах [4, 5]. В новых экспериментах выполнялись длительные непрерывные многосуточные измерения мощности проходящего через ледяной покров излучения на различных линейных поляризациях.
Поиск проявлений пространственной дисперсии заключался в следующем. В процессе температурных изменений окружающей среды имеет место изменение свойств льда и, следовательно, изменение соотношения между значениями коэффициентов преломления для добавочной и обычной волн. При неизменном расстоянии между приемником и излучателем в этом случае должны наблюдаться заметные вариации интенсивности сигнала во времени из-за изменения сдвига фаз интерферирующих волн. Дополнительную информацию о состоянии проходящего излучения дает анализ вариаций параметров Стокса.
Конкретные особенности аппаратуры и условий экспериментов следующие. Для приема излучения на частотах 1.6 и 2.4 ГГц использовались радиометрические приемники на две линейные поляризации: вертикальную (ВП) и горизонтальную (ГП). Приемники на частоты 5.3 и 13-14 ГГц регистрировали излучение на четырех линейных поляризациях ВП, ГП, а также 45° и -45°. Измерения выполнены на льду пресного оз. Арахлей в Читинской области в марте - апреле 2006 г. Минерализация вод озера составляла 100 мг/л, толщина ледяного покрова при измерениях - около 140 см. Расстояние между приборами для частоты 1.6 ГГц - 800 м, для частоты 2.4 ГГц - 450 м, для частоты 5.3. ГГц - 70 м, и для частот 13-14 ГГц -40 м. В качестве передатчиков использовались маломощные транзисторные генераторы (2.4, 5.3 ГГц) и перестраиваемые генераторы сигналов (1.6, 1314 ГГц). Во время измерений температура воздуха колебалась в пределах от -20°С до 0°С. Поэтому для регистрации состояния льда измерялись метеопараметры, а также электропроводность льда - 15 датчиками, расположенными равномерно по глубине ледяного покрова, и четырьмя датчиками температуры, расположенными в верхнем слое льда. Эти датчики устанавливались в точке наблюдения в начальный период формирования ледяного покрова задолго до проведения эксперимента. Датчики электропроводности использовались для наблюдений за проявлениями таяния льда. Все измерения проведены только для монолитного ледяного покрова без признаков его таяния.
Результаты измерений радиопросвечивания ледяного покрова на частотах 2.4 ГГц и 5.3 ГГц при фиксированном расстоянии между приемником и передатчиком приведены на рис. 1, 2. Из графиков, представленных на рисунках, следует, что принимаемый сигнал (характеризуемый параметрами Стокса) имеет резкие изменения во времени, достигающие 10 дБ. Первый параметр Стокса для частоты 5.3 ГГц исследован также при приближении передатчика к приемнику. На рис. 3 приведены результаты измерений 04.04.06 г. при изменении расстояния от 89 м до 39 м. Передатчик переносился последовательно в заранее изго-
товленные углубления круглого сечения с шагом в 1 м. Углубления были выполнены таким образом, чтобы не "затенять" друг друга (по линии, которая составляла небольшой угол с линией соединяющей приемник и передатчик). Параметры Стокса на рис. 3 представлены в логарифмическом масштабе, сама мощность сигнала измерена в относительных единицах. Изменение 5 - первого параметра Стокса, характеризующего полную мощность принимаемого излучения, достигает приблизительно 10 дБ с периодичностью по длине дистанции 2.5-3 м. Эти данные близки к полученным ранее для частоты 13 ГГц в период времени, когда средняя температуры льда повышалась до значений порядка -1°С. Отметим, что в работе [4] анализировались возможные ошибки измерений и было показано, что интерференционные эффекты при взаимодействии прямого и отраженного сигналов от границ сред проявляются со значительно большей длиной периодичности, чем наблюдаемые в эксперименте.
Измерения на частоте 1.6 ГГц выполнены для двух поляризаций - ВП и ГП. Излучение осуществлялось на ГП. В эксперименте продолжите
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.