Файл: Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис.pdf

o u(k ,z) =  o°M(X )N (z) =

З2я3 (и - l ) 21,061

3 №

а в случае обратного молекулярного рассеяния -  ф о р м у л о й

Ся„(Л 

Збпм О’м(Х) z)  ст nM(A,)iV(z)

32тс (» -1)  1,061 • 0,119

З А ,Х 2

(5.51)

(5.52)

где Nq -  число м о ле ку л в ед инице об ъ е м а  воздуха у  зе мн ой п о ­

верхности п р и  н о р м а л ь н ы х  условиях (N

0

 =  2,55-1025 м~3).

б) 

Аэрозольное ослабление. О б ъ е м н ы й  ко э ф ф и ц и е н т  аэрозоль­

ного рассеяния <та вы ра жа ет ся ф о р м у л о й

о а =  к а   K ( p , m ) N ,

(5.53)

где N  -  число аэрозольных частиц в единице объема;  К(р,  т )  -  

ф у н к ц и я  безразмерного параметра р =  

2

ка/Х и  комплексного пока­

зателя преломления частиц т ; а -  радиус частицы; X - длина волны.

О д н а к о  строгие расчеты СТ

д

(А.) довольно с л о ж н ы  д а ж е  п р и  из­

вестных параметрах микроструктуры атмосферного  аэрозоля (как 

правило, его характеристики и  вертикальное распределение неиз­

вестны), по этому для оценок используют эмпирические фо рм ул ы:

0,5855$

и л и

(5.54)

(5.55)

где а а (А,)-  измеряется в к м  ', а видимость Su - в километрах.

П р и   наиболее  т и п и ч н ы х   параметрах  м и к р о с т р у к т у р ы   а т мо­

с ф е р н о й  д ы м к и ,  ту ма но в и  в о д я н ы х  облаков для оц ен ки о б щ е г о  
к о э ф ф и ц и е н т а   аэрозольного  ослабления  м о ж н о   воспользоваться 

д а н н ы м и  табл. 5.6.

Таблица 5.6

Коэффициенты 

для наиболее вероятных значений

X, мкм

0,31 

0,51 

0,69

0,81 

1,06 

2,00 

4,55 

5,27 

10,6

км

Атмосфе 

0,65  |  0,32  |  0,29

шая дымка при видимости 10 км 

0,25  |  0,18  |  0,09  |  0,04  |  0,03  |  0,01

Туманы и облака при видимости 0,2 км 

19,5  |  19,6  |  19,7  |  19,7  |  19,9  |  20,3  |  21,6  |  22,2  |  19,6

136

Информационные основы  

дистанционного зондирования 

системы Земля-атмосфера и з космоса

Цель работы:  изучить возможности естественных источников 

информации,  используемых для характеристи­

ки  состояния  атмосферы,  облачности  и  под­

стилающей  земной  поверхности  методом  дис­

танционного зондирования Земли из космоса.

Планета Земля,  как известно,  основную энергию  получает от 

Солнца в  виде  электромагнитного  излучения,  максимум которого 

приходится на видимую область спектра (на длине волны 0,47 мкм).

Солнечное излучение, дошедшее до Земли, частично отража­

ется в мировое космическое пространство, а частично поглощается 

земной поверхностью и атмосферой, превращаясь во внутреннюю 

энергию, потенциальную энергию, в скрытую теплоту и кинетиче­
скую  энергию.  Полученную  Землей  лучистую  энергию  Солнца 

(в диапазоне длин волн от 0,15 до 4,0 мкм) обычно называют сол­

нечной радиацией или коротковолновым солнечным излучением. 
Собственное  же  тепловое  излучение  системы  Земля-атмосфера 

(в диапазоне длин волн от 4 до 80-120 мкм) называют земной ра­

диацией или длинноволновым уходящим (тепловым) излучением.

Разность между величинами поглощенного коротковолнового 

солнечного  излучения  и  длинноволнового  уходящего  излучения 

определяют как радиационный баланс системы Земля-атмосфера. 

Изучение радиационного  баланса и  его  составляющих  позволяет 

исследовать закономерности излучения Земли как планеты, ее гео­
графической  оболочки,  погодо-  климатообразующих  процессов, 

а также тепловое состояние различных естественных объектов.

Информационные аспекты дистанционного зондирования

Интегральные значения поглощенной и излучаемой системой 

«Земля-атмосфера»  энергии  практически  эквиваленты,  близки

Лабораторная работа б

137

друг к другу. Спектральные же распределения поглощаемой и из­

лучаемой радиации отличаются весьма существенно (рис. 40). По­

этому  для  дистанционного  зондирования  очень  важны  отража­

тельные и поглощательные свойства различных естественных объ­

ектов, а также одного и того же объекта но в разных состояниях

Длина волны, мкм 

Рис. 40. Спектр поглощения излучения в атмосфере

Энергия и спектр уходящего (вторичного) излучения, его ин­

тенсивность  и  ширина  диапазона  зависят  от  температуры  излу­
чающего тепло объекта (иногда это излучение называют темпера­
турным). Для дистанционного зондирования важно то, что разные 

естественные  объекты  нагреваются  по-разному и  по-разному от­

дают свое тепло, то есть имеют разную эмиссию (от лат. emissio - 

испускание).  Средняя температура Земли близка к 290 К (17 °С), 

поэтому максимум ее вторичного (эмиттерного) излучения прихо­
дится на длину волны 9,7 мкм.

Источники  информации.

 Для аэрокосмической съемки и дис­

танционного зондирования Земли в настоящее время активно ис­

пользуют ультрафиолетовый (0,27-0,4 мкм), видимый, или свето­
вой  (0,4-0,78),  ближний,  или  фотографический,  инфракрасный 
(0,7-1,1  мкм),  тепловой  инфракрасный  (3,5-5,0  и  8,0-15  мкм), 

микроволновый или сверхвысокочастотный (0,3-10 см) диапазоны 
спектра электромагнитного излучения.

138

Объектами  обследования  с  метеорологических  спутников 

Земли в видимом и ближнем инфракрасном (0,38-1,3 мкм) диапа­

зонах являются  облака и  открытые  участки  земной  поверхности 

(суша и море).  Особый интерес в метеорологическом отношении 

представляют космические изображения облачности, которую ча­

ще всего воспринимают как индикатор (лат. indicator - указатель) 

погодообразующих процессов, погодных условий и явлений.

Возможность  обнаружения  облачности  на  фоне  подстилаю­

щей поверхности Земли заключается в их различной способности 

отражать падающую на них солнечную радиацию, благодаря чему 

эти  естественные  объекты характеризуются различной  яркостью. 

Коэффициент отражения, или отражательная способность (альбе­

до),  определяется  количественным  отношением  между  отражен­

ными и падающими потоками электромагнитных волн.

Изучение состояния естественных объектов по их собственно­

му  тепловому  (уходящему  инфракрасному  или  микроволновому) 
излучению основано на наличии энергетических контрастов между 

облаками  и  подстилающей  земной  поверхностью  (фоном),  между 
сушей и морем, между различными типами облаков и т.п., обуслов­

ленных различием температуры их излучающих поверхностей.

Эмиссия  возникает  вследствие  поглощения  веществом  па­

дающего потока энергии. Мощность потока вторичного теплового 

(инфракрасного)  излучения значительно  меньше мощности  отра­

женного  от  земной  поверхности  потока  энергии,  но  оно  все  же 

может быть зафиксировано спутниковой аппаратурой в, так назы­

ваемых «окнах прозрачности» атмосферы (диапазонах длин волн 

3,5-5 мкм и 8-12 мкм).

В  типичных  энергетических  условиях  системы  Земля-атмо- 

сфера  аппроксимация  интенсивности  теплового  излучения  для 

длин волн микроволнового диапазона (закон Релея-Джонса) опре­

деляет соотношение

В = 2 к Т Л 2,

(6.1)

где 

В

 - яркость; 

Тя-

 яркостная (радиояркостная) температура; 

X -  

длина  волны  излучения; 

к  -

  постоянная  Больцмана.  Отношение 

яркостной температуры 

Тя

 к физической температуре Т определяет 

смысл относительной излучательной способности

139

r = T J T

(

6

.

2

)

как  функции  физических  особенностей  объекта,  излучающего 

в микроволновом (сверхвысокочастотном) радиодиапазоне. Необ­

ходимо отметить, что радиояркостная температура зависит от дли­

ны волны излучения.

Фотографические, телевизионные и сканерные способы аэро­

космических съемок и дистанционного зондирования считают пас­

сивными. поскольку в них используется естественное отраженное 

или вторичное тепловое излучение объектов,  обусловленное сол­
нечным излучением.  Радарные и лидарные методы называют ак­

тивными. так как они работают в диапазонах излучения, создавае­
мого искусственным источником направленного действия.

Преобразование  излучения.

  Излучением  принято  называть 

процесс,  при  котором  энергия  может  распространяться  в  про­
странстве  без  посредства  материальной  среды.  Этим  излучение 

отличается  от процессов конвективного и адвективного переноса 

тепла,  а также  от молекулярной и турбулентной теплопроводно­

сти, при Которых перенос энергии осуществляется только при на­

личии среды. Однако излучение обладает двойственной природой: 

коротковолновая  лучистая  энергия  воспринимается  как  потоки 

корпускул  или  квантов,  но  существование  единой  скорости рас­

пространения  волн,  явления  интерференции,  отражения,  прелом­

ления, дифракции и другие соответствуют волновой его сущности. 
Взаимодействие излучения с веществом (средой) определяется все 

же длиной волны,  которую  обычно используют для классифика­
ции  радиационных  свойств  компонентов  системы  Земля-атмо­
сфера.  При  взаимодействии  энергии,  излучаемой  (или  отражае­
мой)  каким-либо  источником,  с  поглощающем  веществом  (или 

средой) прежде всего теряется некоторая часть этой энергии. Так, 
например, при прохождении через атмосферу солнечное излучение 

взаимодействует с содержащимися в ней частицами пыли, дыма, 

кристалликами льда,  каплями воды,  молекулами газов.  Происхо­
дящие  при  этом  процессы  рассеяния  и  поглощения  энергии 

уменьшают интенсивность солнечной радиации на земной поверх­

ности и даже меняют диапазоны излучения (рис. 40).

140