Экспедиция "Геленджик-2004"

Экспедиция "Геленджик-2004" проводилась на базе Южного отделения Института океанологии (ЮОИО) РАН, продолжив серию натурных экспериментов, проводившихся в 1999-2003 гг. сводным отрядом сотрудников ряда институтов Российской Академии наук и университетов под общим руководством Института космических исследований (ИКИ РАН).

Основная цель комплексной экспедиции состояла в решении ряда фундаментальных задач радиофизической диагностики природных сред, проверка предложенных научным коллективом ИКИ РАН оригинальных методов дистанционного зондирования океана. В состав экспедиции 2004 года входили научные сотрудники ИКИ РАН, ИРЭ РАН, Акустического института им. Андреева, а также студенты МГУ.

Основные цели и задачи

Основной целью комплексных экспедиционных работ являлось дальнейшее развитие методик дистанционной диагностики динамических процессов в системе океан-атмосфера, основанных на измерении параметров электромагнитных волн, излучаемых и рассеиваемых на границе атмосферы и водной поверхности. Особое внимание уделялось измерению поляризационных параметров теплового микроволнового излучения морской поверхности в широком диапазоне углов зондирования. При планировании комплексных экспедиционных работ 2004 года были намечены следующие основные задачи:

1. Экспериментальная проверка методики восстановления скорости и направления ветра над поверхностью океана на основе поляризационных радиотепловых измерений в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Уточнение коэффициентов, характеризующих зависимость азимутальной анизотропии поляризационных параметров теплового радиоизлучения морской поверхности от скорости приповерхностного ветра;

2. Экспериментальное исследование пространственного спектра гравитационно-капиллярных волн в прибрежной зоне и изучение эффектов модуляции его параметров конвективными движениями, длинными гравитационными волнами, процессами в пограничном слое океана и атмосферы;

3. Тестирование методики восстановления интегрального влагосодержания атмосферы из двухчастотных разностных измерений в линии поглощения водяного пара 22,235 ГГц.

Аппаратура и методика измерений

Приборы дистанционного зондирования окружающей среды и контактные датчики метеорологических параметров были размещены на конце пирса длиной приблизительно 200 м в Голубой бухте, вблизи г. Геленджика (рис. 1). Глубина моря в месте проведения измерений составляла приблизительно 7 м.

Рис. 1. Контейнерная лаборатория на пирсе ЮО ИО РАН с приборным комплексом ИКИ РАН. 1 – метеокомплекс; 2 – поворотная платформа с радиометрами; 3 – волнограф; 4 – термодатчики.

Установка радиометров на пирсе имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием корабля, самолета или дирижабля. К ним относятся:

1. возможность точной юстировки диаграмм направленности антенн и положения плоскости поляризации;

2. возможность проведения абсолютных калибровок радиометров с высокой точностью;

3. возможность проведения метеорологических измерений, совмещенных в пространстве и времени с дистанционными микроволновыми измерениями;

4. возможность проведения длительных серий круглосуточных измерений.

Основу экспериментальной аппаратуры, задействованной для проведения натурных измерений, составлял разработанный в ИКИ РАН радиометрический комплекс, состоящий из поляризационного радиометра на длину волны 0,8 см, двухчастотного радиометра на длины волн 1,5 и 1,35 см, модуляционного микроволнового радиометра на длину волны 8 см и радиометра теплового инфракрасного диапазона на длины волн 8-12 мкм. Радиометры были установлены на высоте около 3 м над морской поверхностью на управляемую поворотную платформу, разработанную в ИКИ РАН и обеспечивающую сканирование от надира до зенита в диапазоне азимутальных углов более 300 градусов (рис. 2).

Рис. 2. Поворотная платформа с комплексом радиометров. У основания платформы закреплено "черное тело" для калибровки микроволновых радиометров.

Для уменьшения влияния на радиотепловые измерения элементов конструкции платформа вынесена за пределы пирса на 6 м. Управление платформой осуществлялось от компьютера, при этом можно было проводить непрерывные измерения в течение нескольких суток, осуществляя сканирование по заданному алгоритму. Основные технические параметры радиометров приведены в табл. 1:

Таблица 1. Технические параметры радиометров.

Прибор	Диапазон длин волн, см	Поляризация	Чувствитель- ность, К/с	Ширина луча, град.
RP-08	0,8	V, H, ±45	0,15	8
RD-15/135	1,5 и 1,35	H	0,2	8
R-8	8	V	0,1	15
R-IR	8-12 x 10-4	-	0,1	1

Параметры приводного слоя атмосферы измерялись с помощью метеорологического комплекса МК-15 разработки НПО "Тайфун", в состав которого входили датчики температуры, относительной влажности, атмосферного давления и акустический анемометр (рис. 3). Акустический анемометр обеспечивал измерение с частотой 6 Гц трех координат скорости ветра, скорости звука и пульсаций температуры воздуха.

Рис. 3. Комплекс метеорологический МК-15 с анемометром акустическим. 1 – датчик относительной влажности воздуха Д2М4 в радиационной защите; 2 – акустический анемометр МАЕК.416312.005; 3 – датчик температуры ТСПТ204 в радиационной защите; 4 – блок питания МАЕК.436234.001; 5 – блок центральный МАЕК.468172.001 с датчиком давления МИДА-ДА-13ПК 01.

Измерения температуры воды на глубине 1 м проводились с помощью термисторного термодатчика; аналогичные датчики использовались для измерения температуры воздуха на высоте 2,5 м над поверхностью и температуры "черного тела" (поглотителя микроволнового излучения), которое применялось для калибровки микроволновых радиометров.

Исходя из поставленных задач, основное внимание в ходе экспедиционных работ 2004 года было уделено исследованию азимутальных и угломестных зависимостей поляризационных характеристик (параметров Стокса) теплового радиоизлучения взволнованной морской поверхности. Угловые характеристики теплового радиоизлучения исследовались с помощью радиометров и поляриметров, установленных на автоматизированной поворотной платформе. Сканирование по азимуту и углу места могло осуществляться по любому заданному программно алгоритму. Типичный цикл измерений продолжительностью 30 мин. включал вертикальное сканирование в диапазоне углов по отношению к надиру от 15 до 170 градусов и обратно, выполняемое последовательно в шести азимутальных направлениях через каждые 46 градусов. Использовались также режимы как азимутального сканирования при фиксированных углах места, так и продолжительных измерений при фиксированных углах наблюдения.

Ввиду сильной зависимости радиояркостной температуры от угла места (до нескольких градусов Кельвина на угловой градус), особое внимание было уделено точному измерению угла места и юстировке диаграмм направленности антенн, для чего использовались дублирующие друг друга потенциометрические датчики, а также прецизионные инклинометры (обеспечивающие точность угловых измерений не хуже 0,1°), как установленные на платформе, так и встроенный в поляриметр 8-мм диапазона длин волн. Для повышения точности радиометрических измерений производилась периодическая калибровка радиометров с помощью "черного тела", размещенного на несущей конструкции платформы таким образом, что один раз за цикл измерений оно попадало в поле зрения антенн радиометров; физическая температура "черного тела" регистрировалась с помощью встроенного термодатчика. Необходимая точность измерения температуры также обеспечивалась периодической калибровкой датчиков.

Рис. 4. Внешний вид пятиструнного волнографа.

Характеристики гравитационного волнения измерялись с помощью решетки струнных волнографов. Известно, что для разработки методов дистанционного зондирования (в данном случае - восстановление параметров волнения), обязательной является наличие информации об изучаемом объекте. В экспедициях прошлых лет, для определения параметров волнения использовался струнный волнограф. Исследования показали, что получаемая с его помощью информация о структуре волнового поля не является полной. Кроме этого, схема работала на постоянном токе, что приводило к искажению результатов за счет обрастания струны солями и, соответственно, изменению коэффициента смачивания струны. Использование в экспедиции "Геленджик-2004" новой схемы пятиструнного волнографа позволило получать информацию о пространственной структуре волнения. Разработанная схема позволила определять направление прихода волн, мгновенные значения уклонов поверхности и, соответственно, направление волнового вектора. Внешний вид установки представлен на рис.4. В настоящее время ведется обработка данных, полученных в экспедиции "Геленджик-2004".