Введение
Исследования объектов криосферы Земли, в том числе и атмосферных образований, дистанционными радиофизическими методами зондирования сопряжены с измерениями вариаций и абсолютных значений радиояркостной температуры принимаемого радиотеплового излучения синхронно с другими измеряемыми параметрами [1]. В ряде задач исследования природных объектов требуется контроль поглощения и рассеяния радиотеплового излучения в атмосферных образованиях и аэрозолях различной природы (сажевые, ледяные, пылевые частицы и т.п.) [2, с. 390]. В летнее время в атмосфере формируется мощная облачность, наблюдается выпадение осадков, в том числе образование ледяных частиц и выпадение града. В осеннее и зимнее время усиление кристаллизации в облаках является предметом наблюдения и изучения. Многие важные процессы, связанные с зарождением атмосферных явлений, еще изучены недостаточно. Примером является недавно открытый лед 0 [3; 4], являющийся переходной формой ко льдам Ih и Ic и образующийся при температуре ниже -23ºС из переохлажденной воды [5–7].
Цель исследования – разработка методики измерения радиофизических параметров земной атмосферы с использованием микроволновой радиометрии для мониторинга состояния атмосферы.
Материалы и методы исследования
Для наземных измерений параметров атмосферы использован метод непрерывного сканирования диаграмм направленности через направление в зенит. Основой используемой методики радиофизического исследования атмосферных образований являлось круговое сканирование за счет вращения диаграмм направленности антенн радиометров. Использована внешняя калибровка по эталону абсолютно черного тела (ЭАЧТ) при их известной термодинамической температуре и фоновом излучении при безоблачной атмосфере в зенит [8; 9]. Мониторинговая регистрация яркостных температур заданной угловой области, включая зенитное направление, синхронно с измеряемыми параметрами других каналов и метеоданных, использована для накопления экспериментальных данных при решении задач дистанционного зондирования.
В состав аппаратно-программного комплекса были включены несколько сменных микроволновых радиометров диапазонов 0,88 см и 1,35 см, датчик температуры воздуха и эталонного излучателя, измеритель освещенности и электростатический флюксметр для оценки вертикальной составляющей атмосферного электрического поля [10] (рис. 1). В установке использовали вращающееся зеркало (1), установленное на оси поворотного устройства (2) под углом 45º, что позволило выполнить сканирование ±90º от зенита. Радиометры (3) располагали в защищенном от атмосферных осадков помещении.
Калибровку по ЭАЧТ (4) выполняли при ориентации диаграмм антенн на этот эталон. При применении двух эталонов отсутствовала необходимость калибровки по атмосфере. Точность измерений радиояркостной температуры (Тя) около 1 К; для случая калибровки по атмосфере требуется уточнение вертикального профиля температуры и влажности и выполнения расчетов их вклада в радиояркость атмосферы [2, с. 390].
Показания в каналах измерителя освещенности и флюксметра в процессе мониторинга позволяли регистрировать отклонения от характеристик стандартной атмосферы при атмосферных процессах.
Рис. 1. Схема установки: 1 – вращающееся зеркало-отражатель, 2 – поворотное устройство, 3 – набор сменных радиометров, 4 – тепловой эталонный излучатель, 5 – измеритель освещенности с вертикального направления, 6 – электростатический флюксметр [10]
Первоначально калибровка аппаратно-программного комплекса при безоблачной атмосфере была проведена 10.10.23 при температуре ЭАЧТ 300 К на лабораторной площадке корпуса ИПРЭК СО РАН в г. Чита. С учетом излучения в атмосферных газах для безоблачной атмосферы и уменьшенного слоя тропосферы (высота комплекса над уровнем моря 650 м) по оценке для стандартной атмосферы радиояркостная температура зенитного направления для данных диапазонов составляет ~10 К [8]. При вымороженной атмосфере в зимний период времени и установке аппаратуры на высоте ~1050 м этот показатель может быть ниже.
При обработке результатов эксперимента в первую очередь было обращено внимание на направление в зенит, соответствующее регистрации освещенности и вертикальной составляющей электрического поля. Стационарно установленные микроволновые радиометры, измеряющие тепловое излучение, принимали сигналы, отраженные от сканирующего зеркала диаметром 1,2 м для кругового вращения диаграмм направленности антенн с программируемым периодом вращения и установки зеркала для измерения и калибровок с любым значением временных интервалов (рис. 1).
Система сбора была настроена на подключение заданного количества сигналов от микроволновых радиометров, каналов датчиков температуры воздуха и ЭАЧТ, каналов освещенности и флюксметра для исследования проявления тропосферных явлений. Полученные экспериментальные данные позволяют исследователю построить графики для заданных углов диаграмм направленности и в угловых пределах исследовать радиотепловые характеристики атмосферных объектов [9; 11].
Результаты исследования и их обсуждение
В данном разделе приведен пример выполненных измерений по выявлению атмосферного фронта с использованием предложенной методики измерений.
Прохождение атмосферного фронта было визуально зафиксировано 25.10.2023 с 08:00 (местное время) по повышению облачности. Относительная влажность изменялась от 26 % (8:00) до 53 % (15:00) при западном ветре до 15 м/c. Вариации радиояркостной температуры зенитного направления в канале микроволнового радиометра 0,88 см за сутки изменялись в пределах от 12 до 26 К, в канале 1,35 см от 12 до18 К (рис. 2). Максимальные вариации сигналов радиометров были зарегистрированы при прохождении атмосферного фронта с 09:00 до 15:00 (рис. 2).
Разность между значениями радиояркостных температур в каналах радиометров в 0:00 для зенитного направления отсутствовала, а при прохождении атмосферного фронта возросла до ~5 К. Авторы считают, что определенный вклад в увеличение вариаций радиояркостной температуры при регистрации атмосферного фронта может вносить появление в облаках ледяных образований, на что указывает уменьшение Тя на 1,35 см [3; 4].
Рис. 2. Сигналы радиометров для зенитного направления антенн 25.10.2023 г. на длинах волн 0,88 см и 1,35 см в зависимости от времени
Рис. 3. Сигналы каналов флюксметра (напряженности вертикальной составляющей компоненты электрического поля Е, В/м – верхний график) и освещенности (в единицах напряжения на выходе измерителя U, В) 25.10.2023 г.
Рис. 4. Сигналы радиояркостной температуры для направления диаграмм направленности антенн под углом 150º к зениту
По показаниям каналов освещенности и флюксметра при прохождении снежного облачного фронта происходили изменения освещенности до 30 % и уменьшение вертикальной составляющей напряженности электрического поля до 40 В/м (рис. 3).
В канале флюксметра при прохождении атмосферного фронта наблюдалось увеличение вариаций сигнала и резкий скачок на понижение напряженности с 70 до 30 В/м. Также при прохождении облачного фронта в период с 09:00 до 21:00 были зафиксированы вариации вертикальной составляющей электрического поля и освещенности, коррелирующие с данными каналов микроволновых радиометров (рис. 2, 3).
Для угла 15º к зениту при прохождении данного атмосферного фронта радиояркостная температура каналов радиометров на вертикальной поляризации на рис. 4.
Рис. 5. Сигналы радиояркостной температуры для направления диаграмм направленности антенн под углом 30º к зениту
Разница между сигналами канала радиометра 0,88 см и 1,35 см для направления 15º к зениту составила ~7 К, значения яркостной температуры в канале радиометра 0,88 см 35 К, а для 1,35 см – 28 К. Вариации радиояркостной температуры при зондировании атмосферного фронта под углом 15º из-за утолщения слоя атмосферы оказались сглаженными, а в канале 1,35 см наблюдалось некоторое увеличение на 2 К за два часа ранее (рис. 4).
Для угла 30º к зениту при прохождении данного атмосферного фронта радиояркостная температура каналов радиометров при измерении на вертикальной поляризации представлена на рис. 5.
Под углом 30º значительно увеличивается толщина излучающего слоя атмосферы, что приводит к дополнительному возрастанию радиояркостной температуры. Средний уровень яркостной температуры в канале радиометра 0,88 см превысил 60 К, а для 1,35 см – 40 К. Разница между сигналами канала радиометра 0,88 см и 1,35 см для диаграмм направленности антенн 30о по отношению к зениту составила ~22 К, что на ~10 К больше по сравнению с зенитным каналом. Значения радиояркостной температуры с ее сканов для разных углов позволяют определить влагосодержание и решить другие вопросы исследования атмосферы.
Заключение
Использование разработанного комплекса аппаратуры в режиме вертикальных разрезов и постоянной калибровки по внешним излучателям в каналах микроволновых радиометров позволило выполнять запись многоканальных синхронных данных об атмосферных образованиях. Включение в комплекс измерителя вертикальной компоненты квазистатического электрического поля, кроме обычных приборов для метеоизмерений, дало возможность дополнительного анализа атмосферных явлений в тропосфере. В комплекс могут включаться радиометры на другие частоты, в том числе и ИК-диапазона.
Предлагаемая методика исследования радиотеплового излучения атмосферы позволяет проводить мониторинг облачности атмосферы, в частности определять интегральное влагосодержание атмосферы и динамику облачных образований. Созданный измерительный комплекс позволяет регистрировать и исследовать изменение характеристик атмосферного электричества, коррелирующего с вариациями радиояркостной температуры.