Радиотепловое излучение земных покровов

Собственное тепловое излучение сред определяется видом и строением молекул вещества, объемными неоднородностями плотности и неровностями поверхности, присутствием примесей веществ и термодинамической температурой. Интенсивность теплового излучения сред зависит от характеристик приемной аппаратуры: длина волны и полоса частот, вид поляризации и частотно-пространственные характеристики антенны, ориентация электрической оси антенны относительно нормали к излучающей поверхности.

Электрофизические характеристики типовых земных покровов.

«Комбинированные» модели атмосферы были получены для среднемесячных условий января и июля наφ= 45, 60 и 75° с.ш. и отражены в виде отдельных таблиц для широт; φ = 45 и 60° — до высоты 45 км, и для φ= 75° — до высоты 30 км.

Радиояркостные характеристики фоновых покровов определяются геометрическими и электрофизическими параметрами: комплексной диэлектрической проницаемостью поверхностного слоя покрова, которая для открытых почвогрунтов зависит от относительной объемной влажности почвыq, и определяется плотностью сухого грунта ρ_c, среднеквадратичным тангенсом угла наклона неровностей γ.

В простейшем случае излучения изотермичной и однородной средой коэффициент излучения χ полностью определяется ее комплексной диэлектрической проницаемостью ε=εʹ+iεʺ и описывается через коэффициенты отражения ФренеляR

(1.1)

где θ — угол приема излучения.

В таблице 1 исходные данные для оценки параметров типовых покровов приведены как значения диэлектрической проницаемости для природных и антропологических образований в миллиметровом диапазоне волн.

Таблица 1

Электрофизические и геометрические параметры покровов

Поскольку приεʺ «1 коэффициент излучения определяется значением εʹ покрова, то по своим излучательным свойствам, все покровы можно условно разделить на три группы:

покровы с εʹ ≤ 3(соответственно χ ≤ 0,93при θ = 0°): грунты, песок, лед, асфальт;

бетон с εʹ = 5…5,5(соответственно χ = 0,84…0,855 при θ = 0°);

пресная вода, имеющая, в отличие от вышеперечисленных покровов, существенно выраженную спектральную зависимость εот λ и εʺ, соизмеримую с εʹ, при этом ее коэффициент излучения приθ = 0° имеет значения 0,46 при λ = 8,6 мм; при 0,6 — λ = 3,3 мм, т. е. заметно меньше, чем у бетона, льда и почвогрунтов.

Рассмотренные покровы представляют собой достаточно однородные среды, поскольку коэффициент затухания миллиметровых волн в этих средах весьма высок (выше 30 дБ/м), вследствие чего интенсивность излучения определяется параметрами приповерхностного слоя.

Эффективная температура земных покровов с учетом состояния атмосферы.

Эффективная температура (Т_эфф) земных покровов без растительности в ММ-диапазоне волн складывается из двух составляющих, характеризующих интенсивности собственного излучения покрова и атмосферного излучения. Поэтому Т_эфф почвогрунтов без растительности зависит от профиля рельефа поверхности, характера ее неровностей, диэлектрической проницаемости почвы, атмосферных условий, отличающихся большим разнообразием. При разработке модели излучательных свойств открытых почвогрунтов в миллиметровом диапазоне волн были приняты следующие допущения.

1. Рассматривались однородные, в среднем плоские горизонтальные участки поверхности без регулярного рельефа, покрытые хаотическими неровностями, как с горизонтальной, так и с наклонной средней плоскостью.

2. Считалось, что радиус корреляции высот неровностей существенно меньше размеров участка, формирующего излученное и отраженное поля.

3. Неровности поверхности являются крупномасштабными по сравнению с длиной волны и рассеяние на них можно описывать в приближении метода касательной плоскости с учетом затенений. Высоты неровностей статистически однородны и изотропны и распределены по нормальному закону.

4. Почва была достаточно однородной и диэлектрическая проницаемость поверхностного слоя не зависела от координат. Допускалось также, что почва была двухкомпонентной и состояла из сухого грунта и жидкой пресной воды.

Эффективная температура шероховатой поверхности Т_эфф на горизонтальной (h) и вертикальной (v) поляризациях с учетом допущений 1–5 определяется формулой

(1.2)

где  — коэффициент излучения поверхности с хаотическими неровностями ( — отношение потока излучения, рассеиваемого поверхностью, к потоку, падающему на неё) при горизонтальной и вертикальной поляризациях; Т_z — термодинамическая температура земной поверхности в К;  — яркостная температура атмосферного излучения, рассеянного поверхностью покрова в направлении зенитного угла θ*.

Яркостная температура отраженного излучения и  могут быть найдены из соотношений:

(1.3)

(1.4)

где  — яркостная температура нисходящего излучения неба; I — компоненты рассеяния, просуммированные по двум ортогональным поляризациям падающего излучения при фиксированной поляризации рассеянного излучения (верхние индексы соответствует поляризации рассеянного излучения, нижние — падающего).

Эффективная температура поверхности грунта на ортогональных поляризациях вычислялась для чистой атмосферы на 60° с.ш. в при λ = 2,2; 3,3; 8,6 мм. Расчеты проводились для песчаной почвы с плотностью сухого грунта 1,4 г/см³, относительной объемной влажностьюq = 0,1 при термодинамической температуре земной поверхностиT_z = 287 К, соответствующей среднеиюльской температуре.

Рис. 1. Графики зависимости эффективной температуры песчаного грунта от широты при зенитном угле θ* = 45° для длин волн λ = 8,6;3,3 и 2,2 мм на горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения

В таблице 1.2 приведены значения эффективных температур песчаного грунта на длинах волн λ = 8,6;3,3 и 2,2 мм для зенитных углов θ*=0° и θ*=45° на горизонтальной и вертикальной поляризациях; плотность сухого грунта 1,4 г/см3; относительная объемная влажность q= 0,1; термодинамическая температура земной поверхности T_z = 287. Диэлектрическая проницаемость бетона ε = 5,5+i0,5на λ = 8,6 мм и ε = 5,55+i0,36на λ = 2,2 и 3,3 мм, среднеквадратичный тангенс угла наклона неровностей .

Таблица 2

Электрофизические и геометрические параметры покровов

Из таблицы 2 следует, что эффективные температуры указанных покровов на вертикальной поляризации больше, чем на горизонтальной при зенитном угле, отличном от нуля. Из рассмотренных покровов максимальная эффективная температура у песчаного грунта (250...270 К при θ* = 0), у бетона меньше на 10... 15 К и существенно меньше (на несколько десятков К) — у гладкой поверхности воды. Эти закономерности подтверждены экспериментами.

Экспериментальные исследования, выполненные при длинах волн 2,2 и 8,6 мм, показали, что по своим излучательным свойствам растительные покровы близки к абсолютно черным телам и при решении многих прикладных задач могут быть использованы в качестве эталонных излучателей.

Результаты исследований фоновых характеристик покровов северного полушария. Эффективные температуры земных покровов существенно зависят как от электрофизических и геометрических свойств покрова, так и от термодинамической температуры поверхности T_z и углового спектра яркостной температуры неба Т_b.

На рисунке 2 приведены зависимости эффективных температур песчаной почвы от местоположения точки наблюдения для зенитных углов θ^* = 0. Видно, что с перемещением точки наблюдения на верхние широты эффективная температура грунта монотонно спадает на 15...30 К. Максимальные значения эффективных температур соответствуют длине волны 2,2 мм на вертикальной поляризации, минимальные — λ = 8,6 мм — на горизонтальной поляризации. Медленнее всего меняется с широтой эффективная температура грунта при λ = 8,6 мм на горизонтальной поляризации.

Рис. 2. Графики зависимости эффективной температуры песчаного грунта от широты при зенитном угле θ* = 0° для длин волн λ = 8,6; 3,3 и 2,2 мм (сплошная линия — горизонтальная поляризация, штриховая линия — вертикальная поляризация)

Таким образом, интенсивность радиотеплового излучения земных покровов определяется, в основном, диэлектрическими свойствами покровов, видом поляризации и углом приема излучения. Причем при зенитном угле 0° она близка их термодинамической температуре, а при вертикальной поляризации находится в диапазоне углов до 60°, Наименьшей эффективной температурой обладают водные поверхности.

Литература:

1.     Голунов B. A., Зражевский А. Ю., Розанов Б. А. и др. Пассивная радиолокация на миллиметровых волнах. // Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография. Под ред. А. В. Соколова. — М.: Радиотеника, 2003, с. 393–463.

2.     Андреев Г. А.. Черная Л. Ф. Интенсивности миллиметровых волн, рассеянных хаотическими поверхностями. — Радиотехника и элекроника, 1981, т. 6, № 6, c. 1198–1206.

3.     Кислов В. Я., Залогин И. И., Мясин Е. А. — Радиотехника и электроника, 1979 т. 24, № 6, с. 1118.

4.     Исхаков И. А., Аганбекян К. А., Зражевский А. Ю. Поглощение и излучение безоблачной атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне волн. // Препринт № 4(307). -М.: ИРЭ АН СССР, 1981.