Микроволновая диагностика атмосферы и земных покровов

Диапазон миллиметровых волн дает уникальные возможности для дистанционного зондирования окружающей среды, вследствие того что именно в этом диапазоне расположены линии вращательного спектра основных атмосферных газовых составляющих и большого числа примесей, в частности, антропогенного происхождения, а также соизмеримы характерные размеры неоднородностей большинства естественных покровов и загрязнений на них с длиной волны.

В ИПФ РАН А. Г. Кисляковым, Ю. А. Дрягиным, Л. И. Федосеевым и др. была создана специализированная аппаратура коротковолновой части миллиметрового диапазона, разработаны методы зондирования и оценки его эффективности для различных условий, созданы алгоритмы систематизации и интерпретации данных измерений. Особое внимание было уделено развитию многочастотного, поляризационного и комплексного пассивно-активного зондирования, позволяющего в ряде случаев обойтись без дополнительных сведений об объекте, необходимых, как правило, при одночастотном зондировании. Развиты радиофизические методы исследования пространственно-временных вариаций озона и других малых газовых составляющих атмосферы, важными достоинствами которых являются оперативность и возможность круглосуточного наземного слежения практически в любую погоду без дождя и снега.

Разработан и создан уникальный комплекс высокочувствительных радиометров, перекрывающих интервал длин волн от 8 до 0,8 мм, импульсных локаторов и непрерывных скаттерометров 8-, 3- и 2-миллиметрового диапазона, а также бортовых (самолетных и корабельных) радиометров и скаттерометров. Благодаря комплексу были исследованы статистические характеристики оптической толщи атмосферы, контрастообразующей разности температур, излучения и рассеяния подстилающей поверхностью и объектами во всех миллиметровых окнах прозрачности для различных климатических зон от острова Хейса (80,7° с.ш.) до Ашхабада (37,6° с.ш.), а также в обсерватории Мирный (Антарктида) и в высокогорье (Заилийский Алатау). Разработан экспресс-метод прогнозирования оптической толщи атмосферы и радиотепловых контрастов в различных физико-географических зонах по одному метеопараметру – годовому количеству дождевых осадков.

Предложен и осуществлен (с борта самолета) двухчастотный метод одновременных измерений излучательной способности и термодинамической температуры радиоизлучающего слоя, позволяющий, кроме прочего, обнаруживать тепловые загрязнения поверхности, а также поляризационный метод выделения металлических объектов. Разработан новый метод дистанционного пассивного микроволнового зондирования облаков из твердых частиц, находящихся в поглощающей атмосфере, в том числе пирокластических выбросов вулканов, песчаных и пылевых бурь. Метод основан на эффекте возникновения линейной поляризации рассеянного частицами неизотропного излучения окружающего фона. Разработан, изготовлен и успешно испытан мобильный трехчастотный поляриметр миллиметрового диапазона, предназначенный для дистанционных исследований подстилающей поверхности, использующий в качестве подсветки излучение земной атмосферы в линии молекулярного кислорода с центральной длиной волны 2,5 мм. Полностью твердотельный прибор, построенный на базе отечественных технологий, позволяет получать информацию как об альбедо земных покровов, так и о термодинамической температуре его эффективно излучающего слоя.

Разработан, изготовлен и успешно испытан мобильный микроволновый озонометр с цифровым анализатором спектра (диапазон частот 110,4–111,2 ГГц), предназначенный для исследования озонового слоя на высотах от 15 до 70 км. Многократное уменьшение габаритов и веса озонометра при сохранении на мировом уровне (для приборов с неохлаждаемым приемным блоком) его характеристик сделали данный прибор уникальным средством для исследований в экспедиционных условиях (А. А. Красильников). Разработан и успешно применяется статистический (основанный на байесовом подходе) алгоритм восстановления вертикального распределения концентрации озона по данным наземного радиометрического зондирования в миллиметровом диапазоне длин волн (А. М. Фейгин, Д. Н. Мухин и др.).

Впервые в мире разработан, изготовлен и успешно испытан лабораторный образец спектрорадиометрического комплекса с цифровым анализатором спектра и уникальной системой внутренней калибровки для пассивного термического зондирования средней атмосферы с поверхности Земли, позволяющий на основе измеренных спектров собственного излучения атмосферы вблизи края 6-миллиметровой полосы поглощения молекулярного кислорода (диапазон частот 52,4–53,2 ГГц) восстанавливать вертикальное распределение температуры в стратосфере и верхней тропосфере.

Разработан и успешно применяется статистический байесов алгоритм восстановления вертикального распределения температуры средней атмосферы по данным наземного радиометрического зондирования в миллиметровом диапазоне длин волн (А. М. Фейгин, А. А. Швецов, Л. И. Федосеев, Д. А. Караштин, Д. Н. Мухин и др.).