Дистанционная диагностика поверхности и верхнего слоя океана

Развитие радиофизических (радиолокационных, оптических) методов и средств дистанционной диагностики динамических процессов в верхнем слое океана органически связано с разработкой физических моделей таких процессов. Это направление охватывает две взаимодополняющие проблемы. Первая – исследование физических механизмов отображения процессов, происходящих в приповерхностном слое океана, на его поверхности, в целях определения диагностических признаков глубинных процессов для систем дистанционного наблюдения. Вторая проблема – разработка и исследование собственно методов дистанционной диагностики океана и их эффективное применение в экспериментальных гидрофизических исследованиях, включая радиолокационные и оптические методы.

Диагностика пленок на морской поверхности

Исследование физических механизмов изменчивости поля ветровых волн под воздействием пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) и развитие на этой основе дистанционных методов диагностики пленок имеет большое прикладное значение с точки зрения экологического мониторинга морских акваторий и внутренних водоемов. В ИПФ под руководством С. А. Ермакова выполнен обширный цикл натурных исследований характеристик морских пленок радиолокационными и оптическими средствами, в том числе подспутниковые эксперименты в кооперации с Европейским и Немецким космическими агентствами. В ИПФ РАН впервые на основе результатов численного моделирования и лабораторного эксперимента удалось описать вязко-упругие свойства нефтяных пленок (С. А. Ермаков, И. А. Сергиевская). Полученные результаты представляют значительный интерес для разработки селективных методов дистанционного мониторинга, позволяющих не только регистрировать сам факт появления пленок ПАВ на поверхности морских акваторий, но и устанавливать их происхождение.

Радиолокационная диагностика зон эвтрофирования водоемов

Интенсивное «цветение» фитопланктона, в первую очередь сине-зеленых водорослей (цианобактерий), представляет собой значительную угрозу экологии мелководных морей и шельфовых зон океана, а также внутренних водоемов, вызывая снижение прозрачности воды, уменьшение концентрации растворенного кислорода, резкое повышение уровня содержания токсинов в воде, усиление процессов заиливания водоемов и пр. Возможности систем дистанционного зондирования, в том числе спутниковых, открывают большие перспективы диагностики зон высокой биопродуктивности и их мониторинга. В настоящее время для этих целей широко используются спутниковые сканеры оптического, а также ИК-диапазонов. Оптические системы, однако, имеют существенные ограничения в использовании по времени суток и состоянию облачности, повышение эффективности экологического мониторинга водоемов связывается с использованием радиолокаторов СВЧ-диапазона.

В последние годы группой С. А. Ермакова выполнены исследования физических механизмов воздействия фитопланктона на мелкомасштабные ветровые волны и дано физическое обоснование возможностей применения радиолокаторов для диагностики зон эвтрофирования.

Следы надводных судов

Проблема изучения характеристик надводных судов средствами дистанционного зондирования представляет значительный интерес как для задач морской навигации, так и для экологического мониторинга, прежде всего обнаружения судов – загрязнителей морской поверхности. В ИПФ РАН выполнены экспериментальные исследования и предложена модель расширения с расстоянием следа надводного судна, а также выявлены основные особенности проявлений следов на взволнованной морской поверхности (С. А. Ермаков, И. А. Капустин).

Радиолокационное зондирование морской поверхности

Современные методы радиолокационной диагностики океана с авиационных и спутниковых носителей имеют очевидные преимущества перед контактными методами, обеспечивая возможность получения информации на достаточно больших акваториях. Развитие систем и методов радиолокационного зондирования морской поверхности сопровождается заметным повышением информативности и оперативности получаемых данных по реконструкции характеристик как самой поверхности, так и приповерхностных физических процессов. Особое значение в этой связи имеет развитие методов формирования и обработки радиоизображений взволнованной морской поверхности с помощью бортовых локаторов с синтезированной апертурой (РСА-изображений), позволяющих проводить наблюдения на обширных акваториях (М. Б. Каневский).

В рамках Федеральной космической программы ИПФ РАН принимает активное участие в научном сопровождении разработки и запуска первого российского скаттерометра (В. Ю. Караев и соавторы), который будет установлен на спутниках «Метеор-3» и «Метеор-МП». Разработанная концепция скаттерометра по своим возможностям превосходит аналоги и позволит существенно расширить возможности для оперативного мониторинга Мирового океана и поверхности суши.

Радиофизический аппаратурный комплекс для дистанционного зондирования морской поверхности

Для выполнения экспериментальных работ в ИПФ РАН созданы оригинальные приборы, которые многократно использовались для дистанционного зондирования морской поверхности как с борта НИС, так и с океанографических платформ:

• радиолокаторы диапазона длин волн 8,7 мм и 3,2 см, предназначенные для бортовых измерений интенсивности радиолокационного сигнала при обратном рассеянии на мелкомасштабном ветровом волнении, а также скоростей распространения ветровых волн (работают на вертикальной и горизонтальной поляризациях);
• доплеровский радиолокатор (рабочая длина волны 3 см) с ножевой диаграммой направленности антенны, предназначенный для наблюдений морской поверхности в надир в целях восстановления статистических характеристик взволнованной водной поверхности и определения направления распространения, средней длины и высоты длинных волн;

• опытный образец блока приема и регистрации данных штатной судовой радиолокационной станции, регистрирующий радиолокационные панорамы морской поверхности;
• оптические спектральные анализаторы (ОСА) ветровых волн, работающие в условиях естественного света неба и позволяющие проводить относительные измерения спектра ветровых волн в широком диапазоне длин (от 0,5 см до 1 м), а также скорости распространения волн;
• оптические волнографы на основе линеек фотоприемников для получения пространственно-временных изображений морской поверхности в координатах «дальность – время», позволяющие оценивать кинематические характеристики ветровых волн и их тонкую структуру.

В натурных и лабораторных экспериментах, которые проводит ИПФ РАН, широко используется также стандартное оборудование ведущих мировых производителей.