Дистанционное зондирование

Методы дистанционного зондирования атмосферы

Дистанционное зондирование атмосферы — это совокупность методов получения информации о физических и химических свойствах атмосферы без непосредственного контакта с исследуемой средой. В отличие от ин ситу наблюдений, дистанционные методы основаны на анализе излучения, проходящего через атмосферу или испускаемого объектами, находящимися в ней.

Процессы, лежащие в основе дистанционного зондирования, включают:

Поглощение — излучение ослабляется при прохождении через атмосферу в результате поглощения фотонов молекулами газов (например, озон, водяной пар, углекислый газ).
Рассеяние — излучение отклоняется от исходного направления (в основном Рэлеевское и Ми-рассеяние).
Излучение — объекты в атмосфере (аэрозоли, облака, молекулы) испускают электромагнитные волны, особенно в инфракрасном и микроволновом диапазонах.

Спектральный, угловой, временной и поляризационный анализ полученного сигнала позволяет восстановить вертикальные и горизонтальные профили температуры, давления, состава, скорости ветра, а также характеристики облачности и аэрозолей.

Классификация методов дистанционного зондирования

По диапазону электромагнитных волн:

Ультрафиолетовое зондирование (УФ): используется для анализа содержания озона, сернистого газа, диоксида азота.
Видимое и ближнее ИК-излучение: чувствительно к аэрозолям, облакам, поверхности Земли, парниковым газам.
Тепловое ИК-излучение: применимо для получения температурных профилей, концентрации водяного пара, мониторинга парниковых газов.
Микроволновое зондирование: позволяет сквозь облачность измерять температуру, влажность, количество осадков и характеристики ветра.
Радиоволны: применяются в радиолокации и радиопросвечивании (радиозондирование, РЛС, радиопросвечивание затмений спутников).

По способу получения сигнала:

Пассивное зондирование: основано на регистрации естественного излучения атмосферы или отраженного солнечного света.
Активное зондирование: использует искусственные источники излучения (лазеры, радиолокаторы, лида́ры, радары) и фиксирует ответный сигнал.

Пассивные методы зондирования

Спектрометрия солнечного просвечивания

Основана на регистрации солнечного света, прошедшего сквозь атмосферу, как правило, в направлении восхода или захода Солнца. Позволяет измерять концентрации газов, особенно в стратосфере и мезосфере. Основные параметры — глубина и форма линий поглощения.

Пример: метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (DOAS) для измерения диоксида азота, формальдегида, сернистого газа.

Тепловое ИК-зондирование

Атмосфера излучает в инфракрасном диапазоне, и это излучение регистрируется с помощью спектрометров на спутниках или аэростатах. Сравнение наблюдаемого спектра с расчетным позволяет восстановить вертикальные профили температуры, водяного пара и газов.

Пример: приборы AIRS (Advanced Infrared Sounder), IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer).

Микроволновое пассивное зондирование

Позволяет измерять температуру и водяной пар в атмосфере, даже при наличии облачности. Используются такие спутниковые инструменты, как AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), SSMIS (Special Sensor Microwave Imager/Sounder). Метод эффективен для изучения конвекции, осадков, водного цикла.

Активные методы зондирования

Лидарное зондирование (Light Detection and Ranging)

Лидары испускают лазерный импульс и измеряют время задержки и интенсивность рассеянного обратного сигнала. Позволяют получать данные с высоким вертикальным разрешением (десятки метров) вплоть до мезопаузы.

Типы лидаров:

Эластичные лидары — анализируют обратно рассеянный сигнал на длине волны лазера.
Раман-лидары — используют неупругое рассеяние для определения состава.
Дифференциальные лидары (DIAL) — применяют две близкие длины волны: одна соответствует линии поглощения, вторая — вне её.

Применение: вертикальные профили аэрозолей, облаков, озона, водяного пара, температуры.

Радиолокационное зондирование

Импульсный радиолокатор испускает радиоволны, которые отражаются от гидрометеоров или ионизированных частиц. Временная задержка и доплеровское смещение позволяют определить дальность, интенсивность и скорость объектов.

Пример: метеорологические радары (дальность до 300 км) для мониторинга осадков, града, штормов. Также используются в аэроклиматических исследованиях.

Измеряется задержка сигнала от навигационного спутника при прохождении через атмосферу. Высокоточный метод, обеспечивающий вертикальные профили температуры и влажности с высоким разрешением. Практически не зависит от погодных условий и покрывает всю планету.

Спутниковые платформы дистанционного зондирования

Современные дистанционные методы в значительной степени реализуются с использованием спутников. Их орбиты подбираются таким образом, чтобы обеспечить глобальное покрытие и многократное сканирование в течение суток.

Ключевые спутниковые системы:

NASA: Aqua, Terra, Aura, Suomi NPP
ESA: MetOp, Sentinel-5P, ENVISAT
EUMETSAT: Meteosat, MetOp-SG
Росгидромет: «Метеор-М», «Канопус»

Эти спутники оснащены спектрометрами, инфракрасными и микроволновыми радиометрами, лидарными и радиолокационными комплексами. Их данные применяются в численном моделировании, прогнозировании погоды, климатических и экологических исследованиях.

Инверсные задачи и обработка данных

Основной математической задачей дистанционного зондирования является инверсия измеренного сигнала — восстановление распределения физических величин по наблюдаемым характеристикам.

Методы:

Методы наименьших квадратов — классическая параметрическая инверсия.
Методы регуляризации (Тихонова, Байеса) — для устойчивого восстановления в условиях неопределенности.
Методы оптимального оценивания (Optimal Estimation Method, OEM) — с учетом априорной информации.
Методы машинного обучения — нейросетевые аппроксимации и регрессионные модели, особенно для анализа больших объемов данных (Big Data).

Точность инверсии зависит от качества априорной информации, разрешения приборов, углов наблюдения и метеоусловий.

Преимущества и ограничения дистанционного зондирования

Преимущества:

Глобальный охват, включая труднодоступные регионы (океаны, полярные зоны).
Высокая частота обновления данных в режиме реального времени.
Возможность долговременного мониторинга процессов.
Минимальное вмешательство в исследуемую среду.

Ограничения:

Невысокое вертикальное разрешение у некоторых пассивных методов.
Зависимость от облачности (в оптическом диапазоне).
Необходимость сложной инверсной обработки.
Высокая стоимость космических систем и техническое обслуживание наземной инфраструктуры.

Роль дистанционного зондирования в физике атмосферы

Дистанционное зондирование является краеугольным камнем современной атмосферной науки. Оно обеспечивает:

Поддержание глобальных климатических моделей и систем прогнозирования.
Мониторинг парниковых газов и загрязняющих веществ.
Наблюдение за экстремальными метеоявлениями и раннее оповещение.
Исследования динамики, химии и радиационного баланса атмосферы.

С развитием технологий (квантовых датчиков, искусственного интеллекта, компактных спутников) ожидается существенное повышение точности, доступности и интеграции дистанционного зондирования с другими методами наблюдений.