Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Применение коротковолнового участка видимого спектра для дистанционного зондирования океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Применение коротковолнового участка видимого спектра для дистанционного зондирования океана"

российская академия наук

ИНСТИТУТ „ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П.ШКРЯЮВА

11а правах рукописи УДК 551.46.08:629.Т8:5Э5

Паршиков Сергэа Валентинович

ПРИМЕНЕНИЕ КОРОТКОВОЛНОВОГО УЧАСТКА ВЗДИМОГО СПШСТРА ДЛЯ Д!*СТА1ЩЕ1СНН0Г0 301ДОР0ВАНИЯ ОКЕАНА

11.00.06 - океанология

автореферат

диссертации па сонсканиэ ученой степени каидадата фазико-матенатнческих наук

Шягаа - 1593

Работа выполнена в Морском гидрофизическом шститу Академии наук Украины, г. Севастополь

Научннй руководитель - кандидат физико-математических

наук Н.Е.Ли

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

наук О.В.Нопелевич - кандидат физзжо-матоматических наук К.Я.Боярчук

Ведущая организация - Институт прикладной математика

■ Российской Академии наук

Защита состоится "_" _ 1993 г. в _часов I

заседании специализированного Совета К.002.86.02 по присуэдэш

ученой степени кандидата наук в Институте океанологии ем. 11.1

Ширшова Российской Академии наук по адресу: 11Т213, Москвг ул. Красикова, д. 23.

С диссертацией можно ознакомился в научной библиотек Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии нау*

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат географических наук С.Г.Панфнлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тem.

Одной из главшц. задач» стоящчх сэгодня перед человеческим б1цоство;,5, является охрана окрукавдей среда. При этом сохранность одной экосистемы является необходимые условием существования гош* иа планете. Проблема сохранить в чистоте гидросферу планеты аиболее остро встала во второй половшв двадцатого столетия и ила связана с уже возникши к тому времени сильным загрязнением крухающэй среды вреднимц продуктам! человеческой кизнедея.тель-ости.

Экологические проблеш водных экосистем : рек, озер, морей а кеанов дакно исследовать, используя оптические метода диагноста-и состояния водоемов. Эта метода основаны на использовании спек-ральных различий поглощения, рассеяния и флуоресценции сиета акгми оптически активными примесями водкой среда, как фнтопланк-он, минеральная взвесь и растворенное органическое вещество. уществовэние достаточно тесных эмпирических взаимосвязей иекду тнми первччннми гидрооптическида характеристикам и цветом вод бусловлиЕает перспективность применения космических методов для деления за состоянием природных водоемов.

При анализе спутникових даншпс существуют проблемы, связан-' не с количественной интерпретацией наблюдаемых из космоса круп-омасштабшх кеоднородностей спектрального коэффициента яркости ■кеанских водь ввиду того, что видалые со спутника цветовые конт-sctu на поверхности коря сильно искакены из-за мешакцего влияния тмосфэра. Поэтому разработке методов атмосферной коррекция в .астоящев время должно уделяться наибольшее внимзние.

Помимо этого, спектр коэффициента яркости моря зависит ш ■олысо от наличия в воде фитопланктона, но определятся такгэ ругими прумесями морской вода, которые также сильно сказываются, ¡а состояний водоемов. Например, некоторые примеси, такие как юбочные продукты прибрежной хозяйственной деятельности, приводят иогда к бурному развитию отдельных видов водорослей, а вызванное ми помутнение, наоборот, :v резкому падению оОдей продуктивности ;з-за угнетения процесса фотосинтеза в результата сильного осдаб-юппя прошткакцего солнечного излучения. Возникающее при этом шрушэшз биологического равновесия моает правестя к негативным

посла дствшш.

Следовательно, для правильной штэрцрб-гацш наблэдавмог« дистанционно цвета океанской вода, необходимо на только править» уча'жвать влияние атмосферы, но и аккуратно оценивать вклад : спектральный коаФХащент яркости поглощения к рассоягоы каждой в; примеси в отдельности.

Цэль работа.

1. Анализ я хгаделярование спектральных характеристик оптсчэ еках нолей б атмосфера лад океаном.

2. Исследование спектральных и угловых осоОешастей рассек ния морсяаш атаосферным аэрозолем.

3.Анализ данных подсяу танковых иашреггсй спектров коэффищ; ента яркости моря я х>азрабохка методов рэиешя обратных г,ада воссташшюгая по шел содержащихся в ьюрскоЗ воде гюглащажщй прикесой.

4. Исслодоеянио новых возможностей дистанционного зондирова ния оптических свойств поверхностного слоя океана при раемфэкг спектрального диапазона наблюдоний до блдапэй ультрафиолетово областа спектра.

Научная новизна и предткчеекая цонкосеь работ«

Основная трудность дастанцгошщх наблюдений цпотозих иоодео родяоетей океана из косшса заклинается п гом, что накбошяая та шнчивосуь спектра коаффициенеа яркости оквяиеяж вод праходгас на сине-фиолетовый участок спектра, в котором величина яркост атмосферной дамки значительно нрэвншает даффузисо излучение моря Вслйдстпш итого восьми трудно разделить ъклвды атмосферы и океа на е регистрируемое с высоты спутника издучание в видимом днша зоне спектра, т.к. фактически нзм приходится наблюдать енни океанские вода на голубом фоне атмосферы. Применявшиеся до паста «Щ'го времена метода оценки велгршны атмосферной дамки, во даннн и? зрений б инфракрасной областа ешктра, нэ позволяла восстанаг лпгать коэффициент яркости моря с требуемой для бодьктства дас танцкошшх задач точность». В работе показало, что эту проОдэк можно решить, воспользовавшись дополнительно локалышн сейм ралышет особенности а различия® ко^фудавитов ир;.остп кэрч атмосфоры в ближней ультрафиолетовой оЛадсти спектра.

'Ряксй подход позволяв? оценить величину коэфТицента яркости моря в коротковолновой области спектре, гдо, как показано в работе, наблмдается наибольшая изменчивость коэффициента яркости моря, а ого значение тесно связано с концентрацией растворенных в морской вода органических веществ.

Таким образом, дополнительные измерения в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра дают возможность

я)наблюдать изменения цвета вод, обусловленное вариациями концентрации растворенного органического вепщства в деятельном слое скзаиа;

б)изморя?ь еще один параметр атмосфер:-! и ва счет этог~< перейти от экстраполяции оптических свойств атмосфера из инфракрасной области в сиакю к более точной интерполяции спектрэлыак характеристик атмосферной дымки с краев в середину видш.гаго дяа-пазона спектра.

Все это позволяет определить яркость атмосферы на краях видимого диапазона спектра и тем сашм не только улучшить точность оценки ее меивпчвх'о влияния, но и существенно повысить информативность досггшхцсшгого зондирования в видимом диапазоне спектра, поскольку появляется возможность перейти от ограниченной однопарамэтрической модели морской вода к двухпаршетрическсй.

В работе получено линейное представление толя яркости восхо-• дящех'о излучения Е^-ршей границе атмосферы, учитквакдэо перекрестное расселила на аэрозольных частицах и молекулах воздуха. Оно глокзт быть применено для анализа снанерных изобря^опий, »я как значительно точнее описывает углевую структур:/ ксоф£ициента яркости системы "окегп-п'п.юсфера", негвди используемая в настоящее время формула Гордона. Окончательные аяа.тт:гческие выранюаия от.т.яа.'огся простотой и могут Сыть полэены при массовой обработке дашшх дистанционных измерений.

Црздставляэ* тога» сггеарэс результаты численного яоделщрова-нид спектралъна-угловах свойств аэрозольного рассаяния вздду отсутствия цредставптольдах дачных натурных измерений микрофаза-чекак и оптических свойств природных аэрозолей.

Алпробация.

Результата работа дсклад-пэлясь на 12, X а XI Шотуиах рабочей группы по оптике океана Ксшссяп по проблемен йгрового окэепа

АН СССР (Еатугш, 1984; Ростов-на-Дону, 1983: Красноярск, 1990), йевдународиоы совещании Со нота "Интеркосмос" по дистанционный методам зондирования океана (Ялта, 1338) и на III семинаре пс скотома?.', экологического контроля вод (Севастополь, 1991 г.)-

Разработанные автором и сшюашше в настоящей рабом влго-p-.iTi.iii к методик!) использовались при проведении серии подспутнико-ша экспериментов на Мэрном коре по международной программе "йнтеркоемос" и в широкомасштабном подспутниковом аксиерименте "•Атлантика-89" в рамках сотрудничества с КАБА.

Публикации,

Бо материалам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце автореферата. Часть результатов защищена авторским свидетельством СССР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, ваклвчвния е. списка литературы. Обида объем работы составляет 164 страницы, включающие 4.0 рисунков, 9 таблиц и 98 наименований списка литэра-■гурц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий асторкчасгезй • обзор развита" дастанционннх оптических методов исследования океана в видимом диапазоне я показана актуальность теш диссертации. При изложении современного состояния исследуемого вопроса уделено особое внимание проблемам атмосферной коррекции давних дистанционных наблюдений цвета океана из космоса, а также взаимосвязям цвета океана с содержащимися в морской воде примзеяш. Выделены наиболее существенные отличия предлагаемой работа от других работ, посвящакнш косвенной оценке первичной продукции океана из космоса.

1. Рассеяние и распространение влектро-магнитных валя I система "океан-атмосфера"

В первой главе анализируются физические особенности рассеяния и распространения зидашто излучения в системе океан-

- Т -

атмосфера. Рассматриваются основнно оптачоскпэ характеристики, определяющие полз излучения в земной атмосфере над океаном н вводятся пецоторне упрощения , позволяюпна математически строго описать рассматриваемую задачу.

Приводятся, используемо для проведения чяслэтт. расчетов, репенке Ми классической задачи рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах с произвольном показателем преломления. Это решение применяется для анализа обпгкх свойств рпссэяния света но аарэаолъшх частицах. Проиллюстрировала зависимость индикитрясу рзссоягптя на ионодисттерстшх ювэсях от параметра Ми (я) а показателя преломления частиц п. Показано, в частности, что начиная с х - 2 вероятность рассеяния в заднюю полусферу Ь слабо зависит о? параметра Мл ц примерно равна 0.08 для капель воды с ш--1.33.

Анашгяруется лзлучспио на вортаэа граяяцэ система "океяк-втмосфэра". Состаоляктв восходящего издучбякя представлена в евдэ диаграмм рассеяния, используя которые, лэпсо внпясать о явном виде авэяитапескоо виракенкэ для дайой кратности взакводэй-ствия солнечного излучения с океаном ч атмосферой.

Особое втя^иж уделено оценке относительного вклада моря и атмосфера в восходящее излучение. для чего используется прябтеа-няб .пухкраткого рассеяния теория переноса. Показптю, что прябля-2эы?я однократного рассеяния яспо недостаточно для проведения • расчетов в коротковолаовоа области вадямого спектра, где оптическая голшпа ягмосфэр» мозот диг/пггагь с.дгашде. Кроме того, оно но уагшвгет перекрестного рассеяния свота морем, »»лекулаш воздуха и п&розольвнми часрцема. Это сразу ео ксхлвчаэт из рассмотрения некоторое ваяше состашшгатяэ восхоДпдего кэлутопил, такао как отрауйнпнй корем саэт небосвода и- др. По&тому для правильно?. фгапеской кягерпрвтацни поля яркости восходящего излучения при знгдазе необходимо использовать, как «домум, даущитиов приблкхдашз.

Л.удаз!"руется точность линейного представления Гордона (1970), согласно которому кооф&щиент ярхоста сясти океан-атмосфзра равен су?!?» кояФЗнцяептов яркости чистой тат:;:улярно!1 (не содержащей аароаольша: ч-зитщ) атмосферы,йм, '-пустой аэрозольной пгое^ерп я и коеффяцяенто яркости моря р, уикояевко?лу но проп/схгша аэроголкю-йолдкударноЗ ьтмосфэрн т (для пзгучегия раст>росграпяет»гося от верхней границы атмосферы до пвкзбй а обратно) :

R = ^ + HA+ p-T . (1)

(©ренэлевское отраженно от поверхности включено в я ñA).

Точные численные расчеты, проведенные методом сложения, показывают ограниченную цргаежшость этой формулы дажэ для изотропной индикатрисы рассеяния «а аэрозольных частицах. Как ото и еледут ожидать, линейное представление (1) в.целом грубо описывает спектрально-угловую структуру поля яркости а оптическом диапазоне спектра, так как оно записано в пренебрежении аффекта:® перекрестного рассеяния на молекулах и частицах аарозоля.

Если принять lo внимание, что аэрозольнш частицы расположены б основном вблизи поверхности Земли» в нижнем ее километровом слое, то аэрозольную атмосферу в первом приближении можно рассматривать в качестве подложки под релеевской атмосферой, flpi этом предположении, для случая, когда индикатриса рассеяния на аэрозольных частицах не зависит от направления, было учтено перекрестное рассеяние на молекулах и частицах. Получено следующее, уточняющее формулу Гордона, лзгаейноо по йд к р представление да коэффициента яркости системы океан-атмосфера

R = ^ + RAY(n)Y(po) f , (2)

где

i

Y(|i) = е (3)

а

7(ц) = е . (4)

о

Функции У(ц) и 7(ц) хорошо известны в теории переноса излучения. Первая из них. суть У-Функщя Чандрасекара, а через вторую выракется точное решение задачи для пропускания релаевской атмосферы, ограниченной снизу ламбертовой поверхностью. Обе йти функции определяется коэф^щиентом пропускания молекулярной ахмосферы

Вшт. проапализировшш сп&ктрадыаш и угловые свойства Функций Y и 7. Показано, что в случае лодлогши, отражайте« по закону

Лампорта, каковой приблизительно (без учета фрэпэлевского отрате-ш1я) к является океан, общий коэффициент яркости всегда меньше суши коэффициентов яркости Ды и р. В случав же подложи, отра-каищей по закону ИА- 1 /\1 , кзлучешга перераспределяется таган образом, что в близких к надиру направлениях и при малой оптической толщипе коэф!яциент яркости мутной атмосферы Я может превышать сушу Ви и Я . Т.е. существует как бы эффект усиления, который проявляется в длинноволновой области спектра.

Приведены ошибки приближения (2). Показано, что приближение (2) описизает угловую структуру, по отпошегпго к точному рсионип, значительно лучше ¡формулы Гордона. При зтом ошибка сказывается-только в третьем знаке после занятой.

Показано также, что свойства полученного решения сохраняется и в случке анизотропного рассеяния на аэрозольшх частицах. Формула (2) дао? хорошие количественные оцекси поля ксаффиционта яркости а&розольно-молек/яярной атмосферы во всем спектральной диапазона х. > П.35 мкп , в широком диапазоне занятных углов < 70°) и эзрозольгах оптических толщн (тл< 1).

Однако, если рассматривать задачу восстановления коэффициента яркости коря по дашпл* дистанционного зондирования, обе формулы (1) и (2) следует рассматривать лишь как праближоняво. Ибо в атом случае сяокЗка во втором ьнаке з оценке Ба1п1, приводи® к-серьезтзл ошибкам з определении коэффициента яркости моря.

Кет» для даух характерных зэеитенх углов Содаца (40° и 64°>, при которых часто производится дистанционное зоядкроваша, пр*шэ-деш оценки абсолютных ошибок а восстановлении р в случаях, когда используется формула Гордона а полученное в работе пряблигонсэ.

Таблица 1. Слибкя Ар.¡00 для нрчблзтаная Гордона (1).

■А 11 26 40 54 66 76

40 54 0.18 0.10 0.06 0.30 0.30 1.34- 1.34 3.91 4.95 11.8 20.7 43.9

Таблица 2. Ошибка Ар-¡ДО для приближения (2).

■0 11 26 40 ЪЛ 66 76

0.07 0.43 0.02 0.24 О.ОТ 0.16 0.16 0.76 0.11 1.55 1,16 1.38

В конце главы приводятся простив аналитические формулы для функций Y(^) и 7(ц). В частности:

-х /р. -т /ц

Y(|i) = ем+ц.(1-еи ) . (5)

Полученная формула достаточно точпа в диапазоне углов вонда-роЕаиня («vOo < 50° ) и ввиду своей простота мояэт оказаться исключительно полезной при массовой обработка схаверкых видео-изобраяеш®.

Z. Моделирование к шанз спектральных и угловых характеристик рассеяния света аэрозольными частицами.

Во второй глава анализируются данные натурных исследований мякрофнаических и оптических свойств атмосферного аэрозоля. Для сиентра показателя ослабления аэрозольной дамки шэгие исследователи ИСПОЛЬЗУЮТ ЭМШфЙЧЭСКУ» формулу AETCTJfOMa, согласно которой показатель аэрозольного рассаяяся пропорционален Х~а. Для физического обоснования »той зависимости параметр а иногда связывают с показателем степени v в степенной распределении too аэрозольных частиц по размерам. Согласно Ван да Халсту степенная зависимость показателя рассеяния от длины волна действительно даэет место, если аэрозольные частицы подчиняются распределении Dure во всем диапазоне размеров от пуля до бесконечности.

На самом деле распределение аэрозольных чаЬтац ограничено известными физическими процессами как со стороны малых, так и больших. • размеров. В связи с этш были рассмотрены распределения более общего вида

Кг)

п, (г) , г < rt

r~v , г й , (S)

К С) . г > г,

где п1(г)- распределение по размерам мелких аэрозольных частиц,

крупных частиц,

nor~v- распределение частиц в интервале от г до г2. При условиях

г < 0.04 №М Г, > 3 ;лсм

била выведена следущая формула для показателя рассеяния на аэрозольных частицах о (л)

о (Л.) = а + £Л3_г'- сЛ-4 , (в)

определяющая величину первой поправки к зависимости Ангстрема аэрозольпого показателя рассения от длины волны.

Кз анализа экспериментальных дашт. следует, что второе из условий (7) выполняется как для копишепталького, так и для морского аэрозолей. Огразшчение г.о на г справедливо только для континентального аэрозоля, распределение по размерам . которого имеет минимальный размер г4 порядка Ю-' шш. Для морских аэрозолей значение может быть на порядок-Оолыле. А это означает, что зависимость та показателя рассеяния от длины волш могет кмоть шюЯ функциональный вид и не описываться законом Ангстрема, являющегося часпалл случаем полученной фермули (8), что подтверждается дкпикш натурта. измарвний ШЫфрян, 19841.

Для анализа этой функциональной зависимости была применена малопараыетрическая модель аэрозольных частиц, основню/и параметрами которой являвтся показатель преломления т, минимальный размер яорозольных частиц г4 и величина по, пропорциональная кглщеп-' траиди аэрозелыих частиц. Последние даа параметра относится к распределении частиц по размерам, имекцеку следу зид:

г о , Г < г .

п(г) - | . 1 (9)

I па Г , Г 2 гл

Используя распределение (9) , для показателя рассеяния о\ углового шкезателя рассеяния р^ (у) п ппдакатрпсн аэрозольного рассеяния р^(7> бшга получены следущия выражения:

2тл г°ЖЪ<в,е>

Г , й\ , (10)

. гт Г .1.(5,1)1,7) + 1_<£,пл) ,

рл :7) = —г . —;-'- де , (11)

х 4 г?

рХ<7) = 4^(7)/^

(12)

где = 2тг4//\5 а функция, входящие) в подантеграяьяш выражения, суть основные функции теории Ми.

Для аэроволя над континентом, у которого Пнговсхоо распределение частиц распространяется вплоть до размэров порядка 0.01 мш, низший предел интегрирования мал ( л:4« 1) и его можно считать равным кул». Тогда из приведенных формул с очевидность» следует, что индикатриса рассеяния от дата волны вообще не зависит , а показатель рассеяния мошт быть выражен формулой о ~ Я.-1.

При пероходе к аэрозолю над морем гк увеличивается до значений порядка 0.1 мкм и в этом случае для оптического диапазона сшзктра распространить интегрирование в формулах (10),(11) на весь диапазон размеров от нудя до бесконечности не удается. При этом степенная зависимость показателя рассеяния от длжш волны справедлива дияь до размеров частиц порадка 0.08 мкм. Затем она начинает нарушаться и спектр показателя рассеяния на описывиэтся степенной функцией. При г. >0,5 мкм эта зависимость Слизка к нейтральной.

Существенно, что с упеличониеы г, одновременно и индикатриса рассеяния начмнавт уке зависеть от длины волны. Это происходит при тех же значениях г , при которах начакает нарушаться зависимость Ангстрема. По мэре смешения низшей границы распрэделелейия вцраво, зависимость жндикатрисы от длины волны становится все более заметней.

Для дистанционных методов важно знать' вид этой зависимости в области больших углов рассеяния. Показано, что в бтличиз от показателя рассеяния, спектры углового показателя рассеяния сильно варьируют, причем эти вариации носят нерегулярный характер. Это обстоятельство сильно усложняет задачу экстраполяции оптических характеристик атмосферы из одной области спектра в другу», которую приходится применять при проведении атмосферной коррекции. Из этого следует также, что одних только подспутниковых измерений спектров оптической толцкны атмосферы еще недостаточно для оценка спектральных свойств обратно рассеянного аэрозольными частица».® излучения.

В заключение главы продемонстрирована возможность применения малопараметрической модоли физических свойств аэрозоля для решения обратной задачи восстановления спектральных и угловых характеристик рассеяния светя аэрозольными частица;,® по известной аэрозольной оптической толщине па двух разнесении;, длинах волк.

Для этой цели бшт использовлян комплежико спектральные измерения оптической толщины атмосферы и яркости неба, выполненное нал континенте:,! и приведешзш Плуико(1Э74): Со гласно восстановленных полей с данкши натурных измерений вполне^удовлетворительнов.

Таким образом, трешараметрическал модель ^дфофпзичооких свойств атмосферного аэрозоля позволяет достаточно просто задавать реальное состояние ат:гас.£ори, что очень зякяо при проведении оценочных расчетов яркости восходящего излучения. Ее параметр-!

имепт простой физический скисл. Варьируя первые дв) параметра, мозаю легко модедирсватъ итсктралъную изнэячявость первичных оптических характеристик атмосферного аэрозоля.

3 Спектр коэф5лциечта яркости моря и эго использование для восстановлена спектров поглощения и концентраций содержащихся в морской воде примесей.

В третьей главе анализируется зависимость коэффициента яркости моря от .длины волтш и рассматривается обратная задача определения коэффициента поглощения оптически активных примесей морской вода в участка спектра ( 0.37 - 0.4-3 мкм ) по дашшм о коэффициенте яркости моря з сине-зеленой области спектра. Для анализа агой проблем используется массив контактных измерений спактря коэффициента яркости моря, полученный в 40-м рейсе НКС "Академик Вернадский". Показано, что йосстановлэннвэ спектры поглощения ишют структуру, ссотзетствущу» экспершонтальиш дапнш. Эта структура явно проявляется благодаря тому, что спектральные измерения коэффициента яркости коря бита расширены до ближней ультрафиолетовой части спектра, в которой сильно поглощение растворенными органическими веществами.

В начале главы обеукдается проблема экспрессных методов анализа оптически активных компонент морской взвеси. Рассматривается подробно взаимосвязь коэффициента яркости моря с первичными оптическими характеристика)™ морской воды. Эта взаимосвязь может быть выражена формулой

+ Р

Р - Л + Я •

где а^,гз и - показатели поглощения ж обратного рассеяния

чистой вода (индекс "у") и примесей.При й=1 эта формула совладеет

с формулой, предложенной М.В.Козляшшовш (1979).

Анализируется массив данных измерений коэффициента яркости моря, полученный в 40-м рейсе НИС "Академик Вернадский". В этой специализированной экспедиции проводились детальные подспутниковые исследования на обширной акватории Атлантического океана, охватывавшей широкий диапазон оптических свойств водных масс. Измерения коэффициента яркости моря проводились в надир двухлуче-вым спектрофотометром "Спектр-2", разработанным в лаборатории оптической океанограф!® МРИ АН Украины для измерений коэффициента яркости моря в натурных условиях. Кратко описывается методика измерений эта! прибором спектра коэффициента яркости моря в натурных условиях» позБолящая проводить измерения почти что при любых погодных условиях.

Показано, что для наиболее чиетих вод Саргассова моря формула (13) при £~1,р = 0,ге = 0 дает оценку коэффициента яркости, согласукдуюся с данными натурных измерений в диапазоне длин волн ( 0.37-0.59 кжм ), ослх; в качестве спектра поглощения чистой морской вода использовать даиные Мореля-Дркера.

Ввиду этого, спектр р„(Я.), характерный для чистых вод Саргассова моря, предлокэно рассматривать в качество эталонного спэктра. Тогда все отклонения от спектра ри(Х), очевидно, обусловлены дотшшнвльнш шглоезшйм и рассеянием прямасдай морской воды, в случаях когда концентрации этих примесей превышают $око-вне, ыаблюдаеше в Саргассовом морэ.

Для анализа отклонений измеренных значений р(Л) от спектра Саргассова моря ръ/(К),.с целы) восстановления спектров поглощения примесей, вводится функция

ера) - Рц р Р ( + р„) - -}Г7-]Г 'V Р • <14>

Из (14) следует, что разделить шищтл рассеяния и поглощения могяю лжь в той области спектра, в которой <е ры « р г^. Анализ шдученных в. экспедиции спектров показывает что, во-первых, ото условие выполняется уке в зеленом участке спектр» СР = (0.53 - 0.57 мил). В атой области спектра, в отличие от красной (к которой примопиш те из соображения), коэффициент яркости моря еще заметно отличен от нуля, так что погрешности измерений р(\) не сильно влияет на результаты восстановления р и т. Во вторых, р ~ 0.001 - р (0.55). Ввиду этого спектральная

зависимость суммарного показателя обратного рассеяния р + р„ в сине-зеленой области определяется, главшм образе?!, сильной зависимостью от длины волны молекулярного рассеяния подо;!: фм~ к'4') п , в мзнывей степени, зависимость» от длгаш волны рассеяния взвешенными частицами.

Тогда при X « имеем соотношение (рк- р)/р = - р/ (Р„*- р), из которого адкозипчяо находится Волгина р. Полагая р-согиИ в сине-зеленом участке спектра, нетрудно рассчитать ге(\) в синем участке спектра, где лекат основные полосы поглощения примесей..

Приведены графики, иллюстрирующм применение отшсшшсг з алгоритма в предельных случаях, когда расс,еяш!Э взвесь» шляко и мало и анализируются ожибкя метода.

Рассмотрены, восстановленные опясатшм способом, спекчрн поглощения содержащихся в морской воде примесей. Чаще всего они ярко выраженную дпухмодозуо структуру. Двухмодовая стрр.ту-рз показателя поглощения примесей отчетливо проявляется на вос-стаяовлешпгх спектрах только благодаря тому, что спектральные измерения проводились не только в видимой, по я з коротковолновой областа спектра. Как это следуот из анализа восстановленных спектров поглощения примесллп, в области длил волн (0.37-0.39 икм) поглощение жзлтыл веществом в океанских водах обычно преобладает над поглощением пигмепггми фитопланктона.

По восстановленным спектрам поглощения били оценены концентрации желтого вещества и пигментов фитопланктона ка разрезе вдоль слодовашш судна.. Концентрация фитопланктона в верхнем слоо океана по время экспедиции изменялась на два порядка: от значений 0.5-1 мг/на з Северном коре до 0.03 - 0.05 в Саргассовом море. На тропическом полигоне в северо-восточной части Атлантического океана харэктернкэ концентрации пигментов были 0.1 - 0.5 мг/м". Сравнение с попутно проводившимися стандартными определениями концентрации хлорофилла показали, что полученные по коэффициенту яркости моря оценки концентрации фитопланктона находятся с ними в хорошем соответствии.

4 Дистанционное зондирование коэффициента яркости моря из космоса

В четвертой главе рассматривается задача устратагая копающего влияния атмосферы при наблюдениях цвета моря из космоса. Пока-

зана возможность использования коротковолнового участка видалого диапазона спектра (0.36 -0.4 мкм) для повышения наблюдаемых со спутника цветовых контрастов на поверхности моря и для разделения вкладов моря и атмосферы в восходящее излучение. Анализируется спектр)аэрозольной дамки и проводится численный анализ точности предлагаемого итерационного алгоритма атмосферной коррекции.

В начале главы рассмотрена зависимость коэффициента яркости атмосферы над морем й(Л.) от параметров (п0, г^, т, р), характеризующих состояние системы "море-атмосфера" и приводятся результаты численного моделирования наблюдаешэх с высоты спутника неодно-родностей в цвете моря. Соответствуйте расчота были выполнены в приближении двухкратного рассеяния. На основе проведенного анализа формулируются основные проблемы дастаидиошого зондирования цветовых кэодаородностей моря из космоса, одна из которых заключается в том, что на фоне молекулярной дымки относительные изменения яркости восходящего излучения, обусловленные сущаственными вариациями коаКицкенте яркости коря с синей области спектра, незначительны.

Показано, что отношение вариаций 6Н(.\) коэффициента яркости систзмг океан-атмосфера, обусловленных исмевениака коэффициента яркости коря, к самой величине Н(А.) имеет локальный максимум в середине родимого диапазона спектра. Это обстоятельство позволяет в первом приближении пренебречь яркостью восходящего излучения моря в сравнении с яркость» атмосфэрвсй дамки на границах видимого диапазона. Полагая, такьм образом, р-й ь коротковолновой области спектра ) и б адишоьолновой его части для оценки й. (?.) спектра аткосфари }(а1тимеем следуидке условия:

Н1 = К (Я*) , ЦУ

1С = нх (Я®" > , Я° е 1В

Для проведения жтерполящга етда значений в середину видшо-го диапазона спектра предложено использовать спектр коэффициента яркости <Н(,к)> для некоторого средааго состояния атмосфер? с параметрами (м, V, г( ,т;(Хо)) г-. (1-.33, 4, 0.1, 0.2), а кгеерпо;:я-циошшй спектр Н^ (А.) определять по формуле

= а «й(\)> + Ь) , (16)

в которой константы а и Ь находятся из граничных условий (15).''

Вычитая кз Я (А) оценку Rz (Л.) мгновенного состояния атмосферы , получим

и(Х) - Д(М - R (?„) . (17)

Проведенные численные расчета показывает. что величина и, в отличие от R, хороио отражает пространственные неоднородности в коэффициенте яркости моря.

Проанализированы методические ошибки атмосферной коррекции, которые мояно отнести г, трем видам

1. сшибка интерполяции или экстраполяции, связанная с принципиальной возможность!) какой-либо параметризации спектра аэрозольной дамки;

2. ошибки в определении параметров, определяющих интерпо.мя-цяснный спектр коэффициента яркости аэрозольной атмосферы;

3. ошибка аппроксимации спектра мутной (аэрозолъно-молекулярной) атмосферы простой формулой (2).

Дается оценка величины погрешности, обусловленной нерегулярной зависимостью индикатрисы рассеяния от длины волны

Ег1 ~ (0.1 - 0.2)-Ra(\°) . (1S)

Величина ее пропорциональна уровню яркости аэрозольной атмосферы в инфракрасной области спектра. Чем плотнее аэрозольная дамка, тем хуже различимы контрасты на поверхности моря. .

Эту оценку улучшить трудно. Однако две другие погрешности уменьшить можно, если паряметризовывать не спектр аэрозольной дамки, а непосредственно спектр азрозольно-молекулярной атмосферы и иметь предварительную оценку интерполяционных параметров.

3 отлччие от методики Гордона (1978), для проведения интерполяции предлагается использовать да функцию е(л.,А°), определяемую соотношением

Ra(M = , (19)

а функцию Е(А.,Х°), связывающую спектр коэффициента яркости мутней атмосферы на длинах волн \ и А,° (Л,°е IE),:

wX)Rat„K, - Яв.м(Х°) -О (20)

Приводится итерационный алгоритм атмсоферной коррекции,

использующий следующую параметризацию спектра мутной атмосферы:

ЯЖ(Х)= + (^А^-У^^Щт,,^)^ (21)

Она удобна тем, что параметр 7 возможно оценить для заданного региона океана из контактных измерений оптической толщины атмосферы. Можно также воспользоваться имеющимися средиостаткстичемси-мя оценками параметра Ангстрема спектра оптической толщины атмосферы над морем.

Полагая в формуле (21) параметр у равшш параметру Ангстрема а, получим предварительную оценку (Л.) спектра й (л,). Используя эту оценку и определение (20), для длин волн и X2 & Ш была получена следующая система хранений

Д 1

я1 Б1 = -2111- .ц» + р1.у1Б1 , 1=1,2 . (22)

л» 4

Нх

Если бы юг точно оцршип мгновенное состояние атмосфери, то первое слагаемое а формуле (22) равнялась бы просто - уроыш коэ^фщиекта яркссгк з ЭД-области. Обозначим через 0ЯЖ нескомпаа-сировашув часть етиосферпой дашга и будем считать ее постоянной в интервала [X1 ¡=10.36-0.4 мкм]. Существенно, что в этом участке спектра, из-за сильной изменчивости величины и пропускания тлокулярлой даики, производная функции р(КУ -.того меньше производной Т{К)ЕО.). Тогда, полагая р=соазС, запишем (22) в виде:

X1 = Н° 5Е. + р.^Е1 , 1=1,2 , (23)

Так как функция Т(К)Е(к) имеет больную положительную произзоднуа в коротковолновой области спектра, то существует устойчивое решение системы (23) относительно ¿вариаций Кз (23) находим оценку р в (IV облаете спектра и величину невязки СЯ, поэволяедую уточнить волкчи:^ 7 в штерлоляцзошой-формула (21) а затей восстановить р(\) т- середине видимого диапазона спектра.

3 конце глава приводится оценка точности оиасашюго итерационного алгоритма для вод открытого океана.

В ашштшш а!-ормулкроваш основные кгаоди диссертация

ОСНОВЮТ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что используемое для анализа данных дистанционных наблюдений линейное прздставление яркости восходящего излуче-1шя, предложенное Гордоном, имеет ограниченнуп применимость. Получена формула, уточнявшая приближение Гордона. Зта фордула количественно и физически более верно описывает спактралъно-угловув структуру поля яркости на верхней границе атмосферы, так как учитывает взаимодействие молекулярной и аэрозольной атмосфер.

2. Исследована зависимость от длины полны функций пропускания рвлвевской атмосферы в случаях, когда подлоккой является диффузно рассеивающий океан и атмосферный аэрозоль. Даны такае простые аналитические формулы для проведения численных оцепок величины пропускания.

■3. Получена формула для спектрального распределения показателя рассеяния аэрозольных частиц над континентом,, частным случаем которой является закон Ангстрема.

4. Предложена малопараметрическая модель микрофизических свойств атмосферного аэрозоля и показана ее пригодность для описания спектральных свойств однократного рассеяния света частицами аэрозоля. Проведены численные расчеты спектрально-угловых характеристик аэрозольного рассеяния в зависимости от шкрофизическпх параметров модели и выявлена необходимость учета зависимости аэрозольной индикатрисы рассеяния от длины волны.

5. Разработан аналитический метод решения обратной задачи определения спектра поглощения примесей по спектру коэффициента яркости коря и показано, что расширение спектральных измерений до ближнего ультрафиолетового участка спектра позволяет отделить поглощение пигментами фитопланктона от поглощения растворенным органическим веществом и, тагам образом, получить хорошие оценки их концентраций в морской воде.

6. Проанализированы основные особенности в спьктре коэффициента яркости системы "океан-атмосфера", проведено .численное моделирование дистанционно набладаемнх пеоднородаостей з цвете моря и показано, что ближний ультрафиолетовый участок спектра можно' использовать, в дополнении к ближнему инфракрасному, для выдепения цветовых контрастов на поверхности моря.

7. 0Ц9Н5НЫ ошибки экстраполяции, СЗЯЗЗШШе с кэрэгудярно& зависимостью аэрозольной индикатрисы рассеяния от длины волны.

8. Показано, что ошибки обусловленные выбором приближения и неточность» используема формул для мутной атмосферы мозно шши-мивнровать, если параметризовывать пе, как это принято, спектр аэрозольной да,пси, а непосредственно спектр мутной (аврозольно-молекулярной) атмосферы;

9. Разработан итерационный алгоритм атмосферной коррекции, в котором для определения необходимого второго параметра оэрозоль-ко-молекулярной атмосферы используются спектральные различии коэффициентов яркости моря и атмосферной дымки в области спектра 0.36 - 0.4- мкм, а спектр коэффициента яркости моря в видимой области восстанавливается посредством интерполяции.

список работ, опубликованных: по teje диссертации

1. Ли М.Е., Барашков С.Я., 1Ç34. Спектральное распределение оптической толщины атмосферы.- В кн.: Оптика моря и атмосферы. Ленинград: ГОИ, е.. 291-292.

2. Ли И,Е., Парников C.B., 1984. Спэкхрзлыюе распределение атмосферной дамки.- В кн.: Оптика моря и атмосферы. Ленинград: ГОМ, с. 293-294.

3. Паранков C.B.» Лч Ы.Е., 1935. Зависимость сечения рассеяния света ка аэрозольных частицах от ддкан волны. - МГИ АН УССР; г. Севастополь: Деп в ВИНИТИ 10.03.85. N 4051-8БД, 13 с.

4. Ли U.E. , Мартынов О.В., Паршиков C.B.. 1985. Методика исшшченая отраженного ианучония при дистанционных измерениях яркости коря.- морской гилрофткческй: журнал, Севастополь: изд. МГИ АН УССР, К 3, с, 23-32.

5. Афонин E.H., Ли М.Е., Парьяков C.B., 1S87. Способ дястан-цкешого отйделэаия прозрачности вода в естественных водоемах.-Авторское сввдэтэльствр на изобретение ÎJ I38G4I5.

6. Еарааков C.B. , Ли М.Е., 1937. Дистандаоааоо опредолонзо оптических свойств поверхностного сдоя моря. - Б кн : Дистгшдч-онкое зондирование моря с учетом ашосферц. Мосхва-Бариш-Севаотополь : Вне. зшсжтута космичэеих исследований All ГДР, т. 2, часть 1, с. зэ-СЗ.

7. Ли М.Е. , Морганов О.В., Параиков C.B., 1587. Инструментальные измерения коэффициента яркости коря. - Б хл : Дистанционное зондирование моря с учетом . атмосферы. Мосхва-Берлкн-Сокастополь : Вып. института коскичэслх исследований АН ГДР, т.2, часть 1, с. 152-165.

8. Паршиков C.B., 1983. Определение спектральных и угловых хярахтерисщк рассеяния света атмосферным аэрозолей по измерениям оптической толщины атмосферы с двух участках спектра.- В ica : Оптика моря и атмосферы. Ленинград: Изд. ГОИ, с.364-365.

9. Паршиков C.B., Сухих Л.И. 1989. Особенности рассеяния свете частицам^ фитопланктона в полосе поглощения. - Тезисы докл. lia I Всесоюзном сеившаре "Оптические катода исслодовамя потоков1*. Новосибирск: ш-т теплофизики СО АН СССР, 2 с.

10. Ли М.Е., Паригосоз C.B., 1990.Определение спектра поглощения содержащихся в морской воде примесей по коэффициенту яркости моря. - В кн : Оптика моря и атмосферы. Красноярск: Был. института физики СО All СОР, т.2, с.67-69.

11. Ли М.Е., Паршиков C.B., 1990. Использование ближнего ультрафиолетового участка спектра для дистанционного зондированы! океана. - в кн : Оптика моря л атмосферы. Красноярск: Вып. института физики СО АН ССР, т.1, с.30-31.

12. Ли М.Е., Парииков C.B., 1991. Использование спектра даффувного излучения моря дня дистанционной диагностики состояния подных экосистем.- Тезисы докл. III-ий семинар Системы зкологичэ-ского контроля вод. Севастополь: МГй АН Украина, с.49.

13. Паршиков C.B., Ли M.S., 1Э92. Дистанционное зокдировшю оптических примесей океана с применении коротковолнового участка спектра.- В кн : Автоматизированные системы контроля состояния морской среда. Севастополь: изд МГИ АН Украины, с. 79-89.

14. Парников C.B., Ли М.Е., ¡992. Использование спектральных особенностей восходящего излучения для контроля состояния водных экосистем.- В кн : Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Севастополь: изд МГИ АН Украины, с. 65-78.