Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Исследование сезонных вариаций микроволнового излучения соленых и горько-соленых озер на юге Западной Сибири

Отношение к критическим технологиям:
Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы


Контактная информация

ФИО пользователя
Романов Андрей


Почтовый адрес
,


ФИО руководителя проекта:
Романов Андрей Николаевич


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Заметное влияние на многие атмосферные и гидросферные процессы оказывают соленые и горько-соленые (сульфидные, содовые) озера, относящиеся к континентальным водам, широко распространенные на Земном шаре. Для их рационального природопользования целесообразно применять методы оперативного микроволнового мониторинга. Однако детальных исследований радиоизлучательных свойств этих объектов из космоса не проводилось. Слабо изучены суточные, сезонные и межгодовые вариации диэлектрических параметров минерализованной воды, зависящих от химизма растворенных солей и их массовых концентраций, суточных и сезонных температур. Немногочисленны данные о радиоизлучательных характеристиках соленых и горько-соленых озер, зависящих, помимо перечисленных факторов, от сезонных изменений площади водного зеркала, наличия береговой растительности и ее биомассы, подтопления берегов, образования рапы, появления шуги и ледового покрова. Комплексные исследования суточных, сезонных и межгодовых вариаций микроволнового излучения соленых и горько-соленых озер на юге Западной Сибири (Алтайский край, Новосибирская, Омская области) послужат основой для разработки новых методов дистанционного мониторинга континентальных вод. В результате выполнения проекта планируется: 1. Решить прямую задачу – по известным массовым концентрациям растворенных солей и их диэлектрических параметрам восстановить комплексную диэлектрическую проницаемость многокомпонентного раствора с любым количеством и типом растворенных солей (решена заявителями для одной соли). 2. Решить обратную задачу – по известным значениям комплексной диэлектрической проницаемости многокомпонентного раствора с любым количеством и типом растворенных солей определить массовые концентрации растворенных солей (решена заявителями для одной соли). 3. Разработать методы дистанционного мониторинга минерализованных озер из космоса (на основе использования данных со спутника SMOS (Европейское космическое агентство)). Для решения поставленных задач будет сделано следующее: 1. Выбраны на территории Алтайского края в качестве тестовых полигонов протяженные природные объекты (степь, крупные соленые озера), различимые на снимках SMOS. Экспериментально определены диэлектрические параметры, физические и химические свойства почв и воды с этих объектов. Осуществлены валидация и калибровка спутниковых данных по радиоизлучению выбранных полигонов, оценены суточные и сезонные вариации их радиоизлучательных характеристик. 2. Проведен анализ радиояркостных температур подстилающей поверхности, на основе спутниковой информации, получаемой со спутника SMOS на территорию Западной Сибири. 3. Синхронно со спутниковыми измерениями проведены наземные (подспутниковые) измерения физических свойств соленых и горько-соленых озер с разным химизмом и минерализацией воды до 200-300 г/л (оз. Кучук, 181 кв. км, Кулундинское, 650-700 кв. км, Чаны 1400-2000 кв. км и др.). 4. Создана база данных диэлектрических и радиоизлучательных свойств воды из природных минерализованных озер на юге Западной Сибири на основе лабораторных измерений комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) проб воды из исследуемых озер. 5. Установлены эмпирические зависимости КДП природных вод от температуры, минерализации, химизма растворенных солей с использованием методов регрессионного анализа. 6. Установлены зависимости КДП от массовых концентраций для модельных растворов, содержащих несколько типов солей. 7. Разработана модель радиоизлучения минерализованного водоема. 8. Разработан способ определения радиояркостной температуры по известным массовым концентрациям и типам растворенных солей. 9. Разработан способ определения массовых концентраций и типов растворенных солей по дистанционно измеренным радиояркостным температурам водной поверхности природного водоема. Созданные базы данных, модельные соотношения, разработанные дистанционные методы могут быть применены на других территориям Земного шара.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Оценку современного состояния исследований по теме проекта проведем на основе анализа научных публикаций в отечественных и международных журналах, опубликованных за период с 1968 по 2012 годы по следующим направлениям: диэлектрические и радиоизлучательные свойства соленой воды (экспериментальные данные и моделирование), дистанционное зондирование с самолетов и космических аппаратов, прикладные исследования, использование в науках о Земле. Результаты проведенных в 40-50 годы исследований диэлектрических свойств электролитов изложены в более поздних обзорах и монографиях. Разработка в 60-х гг. XX века высокоточной, малогабаритной радиометрической аппаратуры, устанавливаемой на летательные аппараты с целью дистанционного зондирования земной поверхности, обусловила повышенный интерес к изучению радиоизлучательных свойств земных покровов. Первые дистанционные измерения радиоизлучательных параметров почв и воды, осуществленные в 60-70 годах в Институте радиотехники и электроники, Институте космических исследований, Главной геофизической обсерватории им А.И. Воейкова и др. научных организациях касаются изучения возможности дистанционной оценки влажности почвы, температуры и минерализации воды. Результаты этих исследований изложены в работах Н.А. Арманда, А.Е. Башаринова, А.С. Гурвича, С.Т. Егорова, В.М. Полякова, А. M. Шутко, К.Я. Кондратьева, Ю.М. Рабиновича, Е.М. Шульгиной, Г.Г. Щукина, В.В. Мелентьева, В.В. Богородского, А.И. Козлова, Л.Т. Тучкова, В.С. Эткина, Е.А. Шаркова и других советских ученых (Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.С., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных СВЧ-излучений. М.: Советская редакция, 1968; Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров С.Т. Радиотепловое излучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974; Эткин В.С., Шарков Е.А. Возможности дистанционного исследования Земли при помощи радиофизических систем. / В кн.: Космические исследования земных ресурсов. М.: Наука, 1976; Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977). За рубежом основные результаты исследований диэлектрических и радиоизлучательных характеристик земных покровов представлены в трудах E.G. Njoku, J.A. Kong, F.T. Ulaby, T.J. Shmugge, T.J. Jackson, M.C. Dobson, M. A. El-Rayes и др. Большой объем осуществленных в 80-90 гг. XX века исследований диэлектрических и радиоизлучательных характеристик земных покровов в микроволновом диапазоне обобщен в ряде монографий и обзоров (Ulaby F.T., Moor R.K., Fung A.K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive (in three volumes). Addison-Wesley Publishing Company. 1981-1982. 1645 p.; Митник Л.М. Излучательные характеристики водной поверхности. Обнинск, 1978; Митник Л.М. Состояние и перспективы исследований глобального водообмена с применением спутниковой информации (обзор). Обнинск, 1982.; Njoku E. G. Passive Microwave Remote Sensing of Earth from Space //A Reviev. Proc. IEEE, 1982. 70. Р. 728-749; Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986; Арманд Н.А., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А. Методы обработки данных радиофизического исследования окружающей среды. М.: Наука, 1987; Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Назаркин В.А. Космическая дистанционная индикация акваторий и водосборов (Микроволновые методы). СПб.: Гидрометеоиздат, 1992; Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Аэрокосмическое зондирование гидрологического состояния почв радиофизическими методами. Барнаул: Изд-во АГУ, 1997, и др.). Влияние температуры на диэлектрические характеристики воды в диапазоне от 0 до 40 град. C исследовали Л.А. Клейн, С.Т. Свифт, А. Стогрин [Klein L.A., Swift C.T. An Improved Model for the Dielektric Constant of Sea Water at Microwave Frequencies //IEEE Trans. Antennas Propag. 1977. AP-25. P. 104-111.; Stogryn A. Equation for Calculation the Dielectric Constant of Saline Water //IEEE Trans. Microwave Teory Techn. 1971. MIT-19. P. 733-736). Ими были установлены температурные зависимости для статической и оптической диэлектрических проницаемостей и времени релаксации дистиллированной и соленой воды, используемые для расчета частотных зависимостей КДП воды и в настоящее время. Большой объем экспериментальных и теоретических данных по диэлектрическим и радиоизлучательным характеристикам морской воды и солевых растворов на разных частотах приведен в следующих работах (Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М.: Изд-во стандартов, 1972; Артамонов В.Г., Любимов Ю.А. Диэлектрические и оптические свойства жидкостей. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986; Засецкий А.Ю., Лилеев А.С., Лященко А.К. Диэлектрические свойства водных растворов NaCl в СВЧ-диапазоне //Журнал неорганической химии. 1994. 39, № 6. С. 1035-1040; Ермаков В.И., Левин В.В., Хубецов С.Б., Щербаков В.В. К вопросу о природе диэлектрической проницаемости растворов электролитов //Журнал физ. химии. 1975. Т. 49. № 7. С. 1749-1752; Потапов А.А. Диэлектрические свойства бесконечно разбавленных растворов //Ж. физ. химии. 1993, № 11. С. 2193-2198; Лященко А.К., Новскова Т.А., Лилеев А.С. и др. Вращательное движение молекул воды в гидратных оболочках ионов и широкополостные диэлектрические спектры растворов электролитов //Журнал физической химии. 1993. Т.67, №8. С. 1615-1622). Для описания КДП водно-солевых растворов на разных частотах используют модель дисперсии и ионной проводимости Дебая, в которой влияние температуры и массовой концентрации учитывается путем установления аппроксимационных зависимостей для входящих в модель параметров: статической диэлектрической проницаемости и времени релаксации. Большое внимание уделяется исследованию влияния на диэлектрические свойства происходящих в растворе структурных и гидратационных изменений, обусловленных искажением структуры чистого растворителя (в данном случае дистиллированной воды), наблюдаемым при взаимодействии ионов растворенных солей с молекулами растворителя, в результате чего вокруг ионов образуются состоящие из молекул воды внутренняя (ближняя) и внешняя (дальняя) гидратные сферы (Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 179 с.; Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных электролитов. Л.: Химия, 1976. 328 с; Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л.: Химия, 1984. 272 с). Эти сферы рассматриваются, как отдельные фазы, объем, и свойства которых зависят от строения гидратированного раствора и структуры растворителя. Наблюдаемые спектральные зависимости диэлектрических характеристик концентрированных растворов связаны с изменениями вращательных и либрационных движений молекул воды в гидратных сферах ионов. На этой основе для описания диэлектрических спектров растворов в частотном диапазоне от 10 мкм до 10 см предложено использовать гибридную модель (Либерман Б.М., Гайдук В.И. Расчет диэлектрических и излучательных спектров водных растворов электролитов в широком диапазоне длин волн. Гидратная модель //Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. №1. С. 97-103), которая в длинноволновой части микроволнового диапазона сводится к модели Дебая. На основе рефракционной модели разработана модель КДП раствора, описывающая зависимость КДП раствора в случае одного типа растворенной соли (на примере хлорида натрия и сульфата натрия) (Романов А.Н. Влияние массовой концентрации минеральных солей на диэлектрические характеристики их водных растворов в микроволновом диапазоне. //Радиотехника и электроника. Т. 49. № 9. 2004. С. 1157-1163). В большинстве случаев измерения радиоизлучательных характеристик подстилающей поверхности велись с борта самолета. Для оценки минерализации водоемов были разработаны Методические рекомендации по дистанционным методам контроля качества поверхностных вод суши (Определение минерализации воды СВЧ-радиометрическим комплексом с борта самолета». Вып. 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 44 с. К настоящему времени накоплены значительные массивы данных радиометров SSMR спутников Nimbus и SSM/I, спутников DMSP, оснащенных микроволновой аппаратурой. Эти данные позволяют по дистанционно измеренным радиоизлучательным характеристикам оценить температуру и соленость поверхностного слоя океана, сплоченность и толщину морских льдов, интенсивность осадков, скорость ветра (Шанда Э. Физические основы дистанционного зондирования. Пер. с англ. И.А. Столярова. М: Недра, 1990. 208 с.; Романов А.Н. Микроволновые методы дистанционного зондирования земных покровов. Барнаул: Изд-во АГУ, 2002. 100 с). Широкое распространение получили радиолокаторы с обычной антенной и синтезированной апертурой, установленные на спутниках Seasat, ERS-1, ERS-2, Radarsat и Envisat, российских спутниках серии «Океан» и на спутнике «Алмаз» и др. (Рис У. Основы дистанционного зондирования. М.: Технофера. 2006. 336 с). В последнее десятилетие данные дистанционного зондирования находят все более широкое применение при оценке региональных и глобальных водных ресурсов, разработке гидрологических прогнозов, глобального изменения климата, изменения гидрологических циклов. В зависимости от решаемых задач на основе дистанционных данных разрабатывают почасовой прогноз (в случае наводнения), сезонный и годовой (в случае эксплуатации водохранилищ, мониторинга озер), а также многолетний (для прогнозирования водного баланса территории). (S. Sorooshian, B. Imam, S. Mahani et al. Hydrologic sciences and water resources management issues in a changing world //Developments in Water Science, Volume 50, 2003, Pages 83-92). В связи с запуском Европейским космическим агентством (ESA) 2 ноября 2009 года спутника SMOS (Soil Moisturыe and Ocean Salinity), предназначенного для оценки глобальных изменений влажности почвы и солености воды в Мировом океане, появилась возможность дистанционного микроволнового зондирования подстилающей поверхности из космоса. Миссия SMOS использует интерферометр-радиометр MIRAS (Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis), установленный на спутнике SMOS и позволяющий проводить в глобальном масштабе измерения влажности почв и солености морских вод. Радиометр обеспечивает получение изображений, соответствующих интенсивности собственного излучения поверхности на частоте 1.42 ГГц, откалиброванной в единицах радиояркостных температур (J.-P. Wigneron, M. Schwank, E.L. Baeza, Y. Kerr et al. First evaluation of the simultaneous SMOS and ELBARA-II observations in the Mediterranean region //Remote Sensing of Environment, Volume 124, September 2012, Pages 26-37; G.B. Brassington, P. Divakaran The theoretical impact of remotely sensed sea surface salinity observations in a multi-variate assimilation system //Ocean Modelling, Volume 27, Issues 1–2, 2009, Pages 70-81). За несколько лет до вывода спутника на земную орбиту различными группами ученых из разных стран проводились предварительные исследования радиоизлучательных характеристик подстилающей поверхности с автомобильных платформ, самолетов, сопровождаемые наземными измерениями физических параметров почвы и воды (J. Font, G. Lagerloef, Y. Kerr et al. Sea Surface Salinity mapping with SMOS space mission // Elsevier Oceanography Series, Volume 69, 2003, Pages 186-189; C. Albergel, E. Zakharova, J.-C. Calvet, J.-P. Wigneron et al. A first assessment of the SMOS data in southwestern France using in situ and airborne soil moisture estimates: The CAROLS airborne campaign // Remote Sensing of Environment, Volume 115, Issue 10, 17 October 2011, Pages 2718-2728; B. Tranchant, C.-E. Testut, L. Renault et al. Expected impact of the future SMOS and Aquarius Ocean surface salinity missions in the Mercator Ocean operational systems: New perspectives to monitor ocean circulation //Remote Sensing of Environment, Volume 112, Issue 4, 15 April 2008, Pages 1476-1487; A. Cano, K. Saleh, J.-P. Wigneron, C. Antolнn, J.E. Balling, Y. H. Kerr et al. The SMOS Mediterranean Ecosystem L-Band characterisation Experiment (MELBEX-I) over natural shrubs //Remote Sensing of Environment, Volume 114, Issue 4, 15 April 2010, Pages 844-853; B.K. Hornbuckle, A.W. England, M.C. Anderson, B.J. Viner The effect of free water in a maize canopy on microwave emission at 1.4 GHz //Agricultural and Forest Meteorology, Volume 138, Issues 1–4, 29 August 2006, Pages 180-191; G. Lagerloef Satellite Measurements of Salinity //Encyclopedia of Ocean Sciences, 2001, Pages 2511-2516). Измерены радиояркостные температуры океана с помощью микроволновых радиометров с частотой 1.43 ГГц, установленных на самолете и на исследовательском судне в районе Большого Барьерного рифа. Синхронно с дистанционными измерениями отбирали пробы воды для измерения солености и температуры воды контактным способом. Такой подход продемонстрировал возможность дистанционного определения солености морской поверхности и позволил изучить прибрежную циркуляцию в тропических морях (D.M Burrage, M.L Heron, J.M Hacker et al. Structure and influence of tropical river plumes in the Great Barrier Reef: application and performance of an airborne sea surface salinity mapping system //Remote Sensing of Environment, Volume 85, Issue 2, 15 May 2003, Pages 204-220). Для лучшего понимания роли воды в глобальном регулировании климата исследовали одновременно влажность почвы и соленость океана по изменению радиояркостных температур, измеренных с помощью радиометра MIRAS с синтезированной апертурой (M. Talone, R. Sabia, A. Camps et al. Sea surface salinity retrievals from HUT-2D L-band radiometric measurements //Remote Sensing of Environment, Volume 114, Issue 8, 16 August 2010, Pages 1756-1764). В зимний период исследовали в средних широтах вариации температуры и солености поверхностного слоя океана. На основе дистанционных и наземных измерений обнаружено интенсивное перемешивание океанской воды в поверхностном слое, обусловленное интенсивным охлаждением поверхности и ветром. Обнаружены аномальные полосы поверхностных пресных вод при наличии атмосферных фронтов с интенсивными дождевыми осадками (M.E. McCulloch, P. Spurgeon, A. Chuprin Have mid-latitude ocean rain-lenses been seen by the SMOS satellite? //Ocean Modelling, Volumes 43–44, 2012, Pages 108-111). Предложен алгоритм обработки космической информации, получаемой аппаратурой SMOS, основанный на совместном анализе спутниковых данных, измерений радиояркостной температуры с самолета и наземных измерений физических свойств почв и воды. Данный алгоритм позволяет учесть неоднородность подстилающей поверхности и выделить вклады в излучение от водоемов, лесных массивов и почвенного покрова (R. Panciera, J.P. Walker, J. Kalma et al. A proposed extension to the soil moisture and ocean salinity level 2 algorithm for mixed forest and moderate vegetation pixels // Remote Sensing of Environment, Volume 115, Issue 12, 15 December 2011, Pages 3343-3354). Измеренные значения яркостных температур использовали для оценки сезонной межгодовой изменчивости солености поверхностного слоя воды в Аравийском море и на севере Индийского океана с применением модели HYCOM, основанной на расчетных значениях солености морской поверхности в период с 2002 по 2007 годы (B. Subrahmanyam, V.S.N. Murty, D.M. Heffner Sea surface salinity variability in the tropical Indian Ocean //Remote Sensing of Environment, Volume 115, Issue 3, 15 March 2011, Pages 944-956). Для тропических участков океанов установлено ежемесячное стандартное отклонение солености поверхностного слоя моря, колеблющееся в пределах 0.1-0.3, за исключением регионов с сильными сезонными циклами (Атлантическая и Тихоокеанская тропические конвергентные зоны, Эль-Ниньо и др.) (T. Delcroix, M.J. McPhaden, A. Dessier, Y. Gouriou Time and space scales for sea surface salinity in the tropical oceans //Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, Volume 52, Issue 5, May 2005, Pages 787-813). Изменение солености поверхности моря под влиянием изменений различных внешних воздействий исследовано в модели NEMO-OPA, адаптированной к северо-восточной части Атлантического океана и включающей в себя 14 климатических параметров (скорость ветра, температура поверхности, относительная влажность приводного слоя атмосферы, потоки тепла, осадки, вертикальное перемешивание и др.) (B. Mourre, J. Ballabrera-Poy, E. Garcнa-Ladona, J. Font Surface salinity response to changes in the model parameters and forcings in a climatological simulation of the eastern North-Atlantic Ocean //Ocean Modelling, Volume 23, Issues 1–2, 2008, Pages 21-32; B. Mourre, J. Ballabrera-Poy Salinity model errors induced by wind stress uncertainties in the Macaronesian region //Ocean Modelling, Volume 29, Issue 3, 2009, Pages 213-221). С использованием методов дистанционного зондирования ведутся исследования гидрологических процессов, гидрологических циклов, включая изменение облачности, водяного пара, осадков, испарения и транспирации, появление снега и льда, оценку состояния поверхностных вод, рек, водно-болотных угодий, влажности почвы, а также использование воды в агросистемах и экосистемах. Описаны методы пассивного и активного дистанционного зондирования в оптическом, тепловом, и микроволновом диапазонах, гравиметрии, с использованием различной измерительной аппаратуры: спектрометров, спектрорадиометров, радаров, радиометров, РЛС с синтезированной апертурой, и гравиметров (Z. Su, R.A. Roebeling, J. Schulz et al. Observation of Hydrological Processes Using Remote Sensing //Treatise on Water Science, Volume 2, 2011, Pages 351-399). Спутниковые данные нашли применение в оперативной океанографии, особенно для северных морей. Различные параметры океана определяют с помощью оптических приборов, инфракрасных радиометров, СВЧ-радиометров, пассивных и активных микроволновых систем (высотомер, рефлектометр, SAR). Основные дистанционно измеряемые параметры: температура поверхности моря, цвет океана, высота волн и шероховатость поверхности (для оценки скорости ветра). Данные дистанционного зондирования используют для расчета атмосферных фронтов, вихрей, распределения водных масс, оценки качества воды (хлорофилл, поверхностные пятна, взвешенные наносы) (O.M Johannessen, S. Sandven, A.D. Jenkins et al. Satellite earth observation in operational oceanography //Coastal Engineering, Volume 41, Issues 1–3, September 2000, Pages 155-176. Проведена реконструкция полей солености в поверхностном слое воды для северо-восточной части Атлантического океана, характеризующейся сильным различием свойств водных масс (Гольфстрим и др.). Для данной территории разработана регрессионная модель, построенная на основе нейронной сети. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования спутниковых данных для определения солености поверхностного слоя моря, в сочетании с вертикальными профилями температуры и солености (J. Ballabrera-Poy, B. Mourre, E. Garcia-Ladona et al. Linear and non-linear T–S models for the eastern North Atlantic from Argo dat a: Role of surface salinity observations //Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, Volume 56, Issue 10, October 2009, Pages 1605-1614). Изучены сезонные вариации солености и температуры воды в поверхностном слое океана до глубины 1.2 метра на тестовых участках в северной части Атлантического океана. На основе использования прогнозной модели океанской ассимиляции показано, что при атмосферных осадках (дождь) образуется смешанный слой толщиной до 100 м, в котором наблюдаются изменения солености. Отмечено, что на радиояркостную температуру водной поверхности оказывает влияние пена, наличие которой снижает точность дистанционного определения солености (M.E. McCulloch, J.O.S. Alves, M.J. Bell Modelling shallow mixed layers in the northeast Atlantic //Journal of Marine Systems, Volume 52, Issues 1-4, December 2004, Pages 107-119). На основе анализа орбитальных данных, полученных со спутников MODIS, EOS, исследованы регрессионные зависимости излучательных параметров морской поверхности от температуры для разных углов зондирования. Предложен алгоритм атмосферной коррекции с учетом зависимости коэффициента излучения от угла зондирования (Raquel Niclтs, Vicente Caselles, Cйsar Coll, Enric Valor Determination of sea surface temperature at large observation angles using an angular and emissivity-dependent split-window equation // Remote Sensing of Environment, Volume 111, Issue 1, 15 November 2007, Pages 107-121). Представлены результаты спутниковых измерений, иллюстрирующих фазовый сдвиг осадков в Северном регионе Сахеля, в отношении южных регионов. Установлено влияние прибрежных поверхностных течений и ветров на перенос влаги с Атлантического океана по всему западному побережью. Показано, что этот перенос находится в фазе с годовой и межгодовой вариациями осадков в районе Сахель. При этом пик осадков обусловлен притоком влаги из Атлантики, а также восточным переносом. Данные указывают на существование двух режимов осадков в Западной Африке, связанных с переносом влаги из двух различных районов океана (W. Timothy Liu, Xiaosu Xie, Kristina B. Katsaros Observation of oceanic origin of Sahel precipitation from space //Remote Sensing of Environment, Volume 123, August 2012, Pages 593-599). Построена карта солености Мирового океана с разрешением 100 км. Для этой цели использованы зависимости радиояркостных температур воды от солености и температуры, измеренные в 1977 году Л.А. Клейном и С.Т. Свифтом (G.S.E. Lagerloef Satellite Remote Sensing: Salinity Measurements //Encyclopedia of Ocean Sciences (Second Edition), 2009, Pages 127-132). Дистанционно измеренные в глобальном масштабе температура и соленость поверхности Мирового океана позволили рассчитать меридиональную океаническую циркуляцию, оценить глобальные климатические изменения, происходящие в системе «океан-атмосфера» (S. Mulet, M.-H. Rio, A. Mignot et al. A new estimate of the global 3D geostrophic ocean circulation based on satellite data and in-situ measurements // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, Volumes 77–80, 15 November 2012, Pages 70-81). На основе анализа восьми статистических моделей оценена погрешность дистанционного определения солености океана. E.A. Urquhart, B.F. Zaitchik, M.J. Hoffman et al. Remotely sensed estimates of surface salinity in the Chesapeake Bay: A statistical approach // Remote Sensing of Environment, Volume 123, August 2012, Pages 522-531). Показано, что изменение температуры и солености в верхних слоях океана оказывает значительное влияние на свойства атмосферы, в том числе на погоду и климат, так как влияет на стабильность верхних слоев океана, особенно в полярных регионах. Изменение этих параметров в высоких широтах связано с повышенной активностью таяния льдов, что может вызвать сбой в глобальной термохалинной циркуляции. Использование методов дистанционного зондирования позволяет существенно повысить точность измерения потоков тепла и пресной воды, изучить механизмы взаимодействия океана и атмосферы (P.J. Minnett Upper Ocean Heat and Freshwater Budgets //Encyclopedia of Ocean Sciences (Second Edition), 2009, Pages 163-174). По результатам дистанционных спутниковых наблюдений в оптическом диапазоне и контактных измерений физических свойств воды оценено распределение фитопланктона в Баренцевом море. С помощью микроволновых датчиков оценен возраст морского льда и концентрация веществ в нем (O. Engelsen, E.N. Hegseth, H. Hop et al. Spatial variability of chlorophyll-a in the Marginal Ice Zone of the Barents Sea, with relations to sea ice and oceanographic conditions //Journal of Marine Systems, Volume 35, Issues 1–2, 15 June 2002, Pages 79-97). Подробно описаны возможности спутниковой спектроскопии (Michael E. Schaepman Spectrodirectional remote sensing: From pixels to processes //International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Volume 9, Issue 2, May 2007, Pages 204-223). Из анализа публикаций следует вывод, что в настоящее время идет накопление глобальной базы дистанционных (спутниковых) данных по распределению температуры и солености воды как в Мировом океане в целом, так и в отдельных его частях. На основе экспериментальных данных строят модели зависимостей диэлектрических параметров от физических параметров, разрабатывают новые оригинальные методы дистанционного микроволнового зондирования. В то же время, следует отметить немногочисленность публикаций, касающихся изучения континентальных вод, в частности соленых и горько-соленых озер, несмотря на то, что данный класс природных объектов широко распространен на Земном шаре, встречается во многих регионах и, несомненно, оказывает влияние на региональные особенности глобальной циркуляции атмосферы, региональный климат и микроклимат. Выполнение данного проекта позволит получить новые экспериментальные данные, разработать новые подходы, новые методы дистанционного зондирования соленых и горько-соленых озер, составляющих обширный, но при этом недостаточно изученный класс поверхностных вод суши.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Разработка высоко-оперативных микроволновых дистанционных методов, позволяющих вести круглогодичные спутниковые наблюдения за изменением химического состава и физических свойств континентальных вод, протеканием различных атмосферных и гидросферных процессов, должна быть основана на четком знании суточных, сезонных, годовых вариаций радиоизлучательных характеристик водоемов, зависящих от многих параметров. Так, например, радиоизлучение некоторых минерализованных озер на юге Западной Сибири, не замерзающих практически круглый год, зависит от образования в сильные морозы на водной поверхности снежного сала и шуги. На орбитальных снимках SMOS, используемых в проекте, такие территории характеризуются низкими значениями радиояркостных температур, зависящих от комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) соленой воды, которая, в свою очередь, зависит от химического состава растворенных солей, массовых концентраций каждой соли, термодинамической температуры, температуры эвтектики и др. 1. Натурный эксперимент 1.1. Для обнаружения особенностей территориального распределения радиояркостных температур используем орбитальную информацию, получаемую со спутника SMOS на территорию Западной Сибири два раза в сутки (в рамках проекта Европейского космического агентства №4747 ««Remote mapping of Siberian saline soils», руководитель А.Н. Романов). 1.2. Для валидации данных SMOS синхронно со спутниковыми измерениями проводим измерения температуры воды и почвы, с помощью GPS определяем размеры объектов, рассчитываем их площади, а также: в летний период – наличие растительности с оценкой биомассы, в зимний период – состояние поверхности водоема, наличие ледяного сала, шуги, измеряем толщину ледяного покрова. (В зависимости от соотношения между толщиной льда и длиной волны радиометра могут возникнуть интерференционные эффекты). 1.3. Для оценки суточных и сезонных вариаций радиоизлучательных параметров и выявления причин их вызывающих проводим комплексные исследования циклами продолжительностью 3-5 дней в летний, зимний периоды и в межсезонье (переход от положительных температур к отрицательным и наоборот). Основным результатом работы будут установленные закономерности и выявленные региональные особенности суточных и сезонных вариаций радиоизлучения минерализованных озер. 1.4. Возможные межгодовые изменения оценим путем сравнительного анализа результатов исследования за два года. 2. Лабораторные исследования 2.1. Химический анализ воды из минерализованных водоемов, отобранной во время натурного эксперимента. 2.2. Измерения диэлектрических параметров природных вод. 2.3. Измерения диэлектрических параметров модельных многокомпонентных растворов. 3. Теоретические исследования 3.1. Восстановление КДП многокомпонентного раствора с любым количеством и типом растворенных солей по известным массовым концентрациям растворенных солей и их диэлектрических параметрам на основе проведенных лабораторных измерений диэлектрических параметров природных и модельных растворов (данная задача решена заявителями для одной соли). 3.2. Определение массовых концентраций растворенных солей по измеренным радиояркостным температурам и априорной информации на основе сопоставления данных орбитальной съемки, натурных, лабораторных исследований (данная задача решена заявителями для одной соли). 4. Моделирование и разработка новых способов дистанционного зондирования 4.1. Для возможности использования результатов проекта при изучении минерализованных озер и участков Мирового океана в других в регионах Земного шара установка эмпирических зависимостей КДП от массовых концентраций для модельных растворов, содержащих несколько типов солей. 4.2. Разработка модели радиоизлучения минерализованного водоема. 4.3. Разработка способа определения коэффициента излучения или радиояркостной температуры по известным массовым концентрациям и типам растворенных солей (вариант решения прямой задачи). 4.4. Разработка способа определения массовых концентраций и типов растворенных солей по дистанционно измеренным коэффициентам излучения или радиояркостным температурам водной поверхности природного водоема (вариант решения обратной задачи).


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Результаты НИР будут применены при дистанционном мониторинге Территорий Западной Сибири


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
При выполнении проекта Европейского космического агентства (ESA) № 4747 "Remote mapping of Siberian saline soils" за период с 2008 по настоящее время собраны снимки со спутника SMOS на территорию Западной Сибири, включая Алтайский край, Омскую, Новосибирскую области и северо-восточную часть Республики Казахстан. Имеются архивные данные по метеорологическим условиям. Ранее исследовали влияние массовой концентрации солей на комплексный показатель преломления и комплексную диэлектрическую проницаемость водных растворов карбоната натрия и хлорида натрия. Показано, что для описания комплексной диэлектрической проницаемости водных растворов может быть использована рефракционная модель, в которой водный раствор представлен как многофазная система, состоящая из чистого растворителя, не взаимодействующего с ионами растворенных солей, и объемов воды, заключенных в дальней и ближней гидратных оболочках, образующихся вокруг катиона и аниона. На этой основе предложен метод определения массовой концентрации соли в водном растворе по измеренной диэлектрической проницаемости (Радиотехника и электроника. Т. 49. № 9. 2004. С. 1157-1163). Разработана диэлектрическая модель водно-солевого раствора, основанная на экспериментально установленных зависимостях комплексного показателя преломления растворов с одним типом соли (хлорид натрия, хлорид кальция, сульфат натрия, сульфат магния, сульфат кальция, карбонат натрия, карбонат магния, карбонат кальция) от массовой концентрации соли и включающая в себя параметры, учитывающие изменение диэлектрических свойств растворов за счет образования гидратных оболочек вокруг ионов растворенных солей (Романов А. Н. Диэлектрические и радиоизлучательные свойства засоленных почв в микроволновом диапазоне. Барнаул. Изд-во Алтайского ун-та. 2002. 120 с – издательский грант РФФИ №02-02-30007). Экспериментально установлены температурные дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости различных по химической природе влажных минералов. Впервые обнаружено скачкообразное возрастание КДП для кристаллогидрата карбоната натрия, содержащего кристаллизационную воду. Сделан вывод о существовании температурной дисперсии КДП связанной воды, адсорбированной минеральными частицами (Радиотехника и электроника. 2004. Т.49. №1. С. 91-95). Впервые разработан СВЧ-диэлектрический способ определения массовой концентрации, чисел гидратации и структуры водно-солевых растворов, основанный на измерении показателей преломления и поглощения электромагнитной волны дециметрового диапазона в водно-солевом растворе, отличающийся тем, что для повышения точности определения массовой концентрации соли и чисел гидратации с учетом образующихся первичной и вторичной гидратных оболочек измеренные значения показателей преломления и поглощения сравнивают с аналогичными величинами, соответствующими пресной воде, границам дальней, полной и неполной гидратации, а затем графически или по эмпирическим формулам определяют искомые параметры (Патент РФ №2365901 от 27.08.2009). Впервые разработан дистанционный микроволновый способ определения гранулометрического состава почвы, основанный на измерении коэффициента излучения мерзлой незасоленной почвы (Патент RU №2088906, кл.G01 N22/04. Опубл. 27.08.1997). Впервые разработан дистанционный микроволновый способ определения засоленности, основанный на измерении коэффициентов излучения почв, находящихся при отрицательной температуре (Патент RU №2081407, кл. G01, N22/00, Опубл. 10.06.1997. Бюл. №16). Создана методика аэрокосмического картирования глубины залегания грунтовых вод в региональном масштабе, основанная на использовании орбитальной съемки в инфракрасном диапазоне, самолетной микроволновой съемки, а также модельных представлений о распределении влаги в капиллярной кайме (Исслед. Земли из космоса. 1998. № 4. С. 98–106; Метеорология и гидрология. 1994. № 1. С.87-91 и др.).


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Планируется подача заявки на патент


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
-


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
-


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
-


Ключевые слова

Биологическая вариативность, Биосенсоры, Датчики влажности, Загрязнение воды / водообработка, Загрязнение воздуха /обработка воздуха, Загрязнение почвы, Измерение и детекция загрязнений, Метеорология / климатология, Мониторинг температуры, Окружающая среда, Стихийные бедствия, Техника и технология охраны окружающей среды, Технологии дистанционного сбора данных, Экология


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-