CC BY
9Решетневские чтения
УДК 550.837
И. В. Савин, С. В. Фомин, А. А. Швалева Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск, Россия
К. В. Музалевский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, Россия
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КОПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ОТНОШЕНИЯ СЕЧЕНИЙ ОБРАТНОГО РАДАРНОГО РАССЕЯНИЯ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ
АРКТИЧЕСКОЙ ТУНДРЫ
Теоретически исследуется возможность измерения средней температуры в деятельном слое почвенного покрова арктической тундры, используя температурную зависимость кополяризационного отношения сечений обратного радарного рассеяния.
Космические радиолокационные методы мониторинга более 20 лет применяется для дистанционного зондирования процессов оттаивания/замерзания деятельного слоя почв арктических территорий [1]. С помощью радарных измерений создаются пространственно-временные карты талых и мерзлых почв северных территорий планеты [2]. Однако космический радиолокационный мониторинг температурного режима деятельного слоя почв, который главным образом характеризует состояние мерзлых почв, не проводится. В данной работе на основе анализа кополяризационного отношения (КО) сечений обратного радарного рассеяния электромагнитной волны впервые исследуется возможность измерения температуры деятельного слоя почвы арктической тундры как в процессе замерзания, так и в процессе оттаивания. КО определено как отношение сечений обратного радарного рассеяния на горизонтальной и вертикальной поляризациях волны, излученной и принятой радаром [3], которое в приближении малых возмущений (средняя высота неровностей считается много меньше длины волны) рассчитывается по формуле
[1 + Яу (9) ]2ссэ2 е + [1 - Яу (9) ]2 —
8 5
где Яу(9), Ян(9) - коэффициенты отражения Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно, рассчитываются методом итераций [4]; 9 - угол визирования, при расчетах задавался равным 25°; 85 - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость (ОКДП) почвы на поверхности. ОКДП почвы арктической тундры рассчитывалась с помо-щью экспериментально обоснованной диэлектрической модели почвы [5]. Образец почвы был взят с северного склона, на Аляске (68°38' с. ш., 149°35' з. д.). Данная почва содержит около 87 % органики, 8 % кварца, 5 % кальцита. КО рассчитывалось с использованием экспериментально измеренных профилей тем -пературы [6] в слое почвы толщиной 1м в районе Франклин Блаффс (69°39' с. ш., 148°43' з. д.) в период со 2 сентября 1999 г. по 1 августа 2000 г. При этом плотность и объемная влажность деятельного слоя
почвы в районе Франклин Блаффс варьировалась в пределах 0,38...1,61 г/см3 и 30...75 % соответственно [7]. Значение КО, рассчитанное по формуле (1) с использованием экспериментально измеренных профилей температуры, значений плотности 0,56 г/см3 и объемной влажности 40 % деятельного слоя почвы, представлено на рисунке в зависимости от средней температуры первых 10 см деятельного слоя почвы арктической тундры. Значение КО с сентября по ноябрь 1999 г. линейно увеличивается с -22 дБ до -14 дБ, что соответствует периоду промерзания талого деятельного слоя (см. рисунок, область А), далее КО с декабря 1999 г. по апрель 2000 г. увеличивается с -14 дБ до -12 дБ, что соответствует периоду понижения температуры в промерзшем деятельном слое (см. рисунок, область В). На участке С с апреля по июнь 2000 г. КО линейно уменьшается с -12 дБ до -22 дБ, что соответствует периоду повышения температуры в мерзлом деятельном слое (см. рисунок, область С). Далее КО имеет слабые вариации -22.-23 дБ (см. рисунок, область Б) в период с июля по август, что соответствует периоду протаивания и дальнейшего понижения температуры деятельного слоя почвы. Далее цикл повторяется.
Кополяризационное отношение сечений обратного радарного рассеяния в зависимости от средней температуры в поверхностном слое почвы толщиной 10 см в период со 2 сентября 1999 г. по 1 августа 2000 г.
Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды
В результате установлено, что температурная зависимость КО при оттаивании/замерзании почвы арктической тундры может быть использована в качестве калибровочной кривой для оценки средней физической температуры первых 10 см деятельного слоя почвы как в процессе замерзания, так и в процессе оттаивания. При этом погрешность определения средней физической температуры первых 10 см деятельного слоя почвы арктической тундры не превышает ±1,9 °С. Предложенный метод создан специально для реализации в алгоритмах космических аппаратов SMAP и ALOS-2.
Библиографические ссылки
1. Duguay R., Pietroniro A. Remote Sensing in Northern Hydrology: Measuring Environmental Change / AGU. Washington, D. C., 2005.
2. Monitoring Freeze/Thaw Cycles Using ENVISAT ASAR Global Mode / S.-E. Park, A. Bartsch, D. Sabel et al. //
Remote Sensing of Environment. 2011. Vol. 115. P. 3457-3467.
3. Komarov S. A., Mironov V. L. Microwave Remote Sensing of Soils. Novosibirsk : Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2000.
4. Brehovskih L. M. Waves in Layered Media. Kiev : Academy of Sciences URSS, 1957.
5. Mironov V. L., De Roo R. D., Savin I. V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2010. Vol. 48, № 6. P. 2544-2556.
6. Alaska Geobotany Center: Biocomplexity of Forest Boil Ecosystems [Electronic resource]. 2001. URL: http://www.geobotany.uaf.edu/cryoturbation/project/frblu ffs/ (date of visit: 30.07.2012).
7. Biocomplexity of Patterned Ground Data Report / J. E. Barreda, J. A. Knudson, D. A. Walker et al. Dalton Highway, 2001-2005. Fairbanks, 2006.
I. V. Savin, S. V. Fomin, A. A. Shvaleva Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk
K. V. Muzalevskiy
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE CO-POLARIZATION RATIO RADAR BACKSCATTERING COEFFICIENT FOR REMOTE SENSING OF THE ARCTIC TUNDRA
In the article, a measuring of the average temperature in the active layer of the Arctic tundra soil theoretically have been investigated, using the temperature dependence of the co-polarization ratio radar backscattering coefficient.
© Савин И. В., Фомин С. В., Швалева А. А., Музалевский К. В., 2012
УДК 536.42, 539.143.43, 681.2.083
А. А. Суховский, Ю. И. Лукин, Н. В. Волков Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск
В. Л. Миронов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ИЗМЕРЕНИИ СООТНОШЕНИЯ МАСС РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ВОДЫ В ПОЧВАХ
Предложен независимый метод определения максимального содержания связанной и переходной воды в почвах с помощью ядерного магнитного резонанса.
Использование адекватной диэлектрической модели в обратных задачах дистанционного радиофизического зондирования является определяющим фактором в точности восстановления физических параметров природных объектов, в частности почв, по данным радарного и радиометрического измерения. Наиболее удобны в использовании в космическом зондировании почв физические модели, в которых в качестве параметров входят физические величины. Подобные модели могут применяться для различных типов почв и позволяют учитывать фазовые переходы различных типов почвенной влаги в процессе замо-
раживания-оттаивания. Основной проблемой при разработке диэлектрической модели является то, что вода в почве может находиться в связанном, переходном и свободном состоянии, и каждый тип воды различается по электрофизическим свойствам [1]. Рефракционная диэлектрическая модель [2] позволяет учитывать диэлектрические свойства воды в различных состояниях и определять относительное содержание и комплексную диэлектрическую проницаемость каждого типа воды; кроме того, в качестве параметра в этой модели используется максимальное содержание связанной и переходной воды.
