К разработке дистанционных микроволновых индикаторов состояния леса

Лес играет важнейшую роль в жизнедеятельности человека, в значительной мере определяет условия его существования, повышает качество жизни. Сохранение лесов на планете является одной из приоритетных задач человечества. В последние годы для оценки экологического состояния леса, своевременного выявления опасностей и угроз используются спутниковые данные в микроволновом диапазоне [1]. Радиояркостные температуры (TB), определенные по спутниковым данным, применяются для мониторинга динамики растительности [2], оценки биомассы растительности [3] и климатических изменений [4], пожарных рисков [5], смертности деревьев от засухи [6]. К настоящему времени построены зависимости TB от шероховатости поверхности, угла зондирования, почвенной влажности (ПВ), оптической толщины растительности (ОТР) для разных типов леса [7].
ОТР учитывает ослабление радиоизлучения в слое растительности и используется для повышения точности дистанционного определения ПВ под растительностью. Одновременное восстановление ПВ и ОТР приводит к неопределенности в их оценке. ОТР зависит от высоты, биомассы, породы деревьев, количества воды в стволах, ветвях, хвое, листьях деревьев.
Для валидации спутниковых измерений Tв подстилающей поверхности с развитым растительным покровом применяется (тау-омега)-модель, учитывающая радиоизлучение почвы, ослабленное слоем растительности, радиоизлучение самой растительности и радиоизлучение растительности, отраженное от почвы [8]. Для описания диэлектрических характеристик лесной растительности используется модель непрерывной среды и совокупности рассеивателей, характеризующаяся комплексной диэлектрической проницаемостью (КДП) в квазистатическом приближении (при размере неоднородностей много меньше длины волны) [9]. Применение микроволновых методов определения ПВ под пологом густого леса проблематично вследствие экранирования излучения почвы слоем растительности [10]. Густой лес используют в качестве природного репера для калибровки спутниковых и самолетных СВЧ-радиометров.
Повышение точности определения ОТР может быть достигнуто путем учета древесной влаги в листьях и ветках деревьев. В [11-13] показано, что в ветках живых деревьев существует в зависимости от сезона 2 или 3 категории воды с разными диэлектрическими характеристиками. Соответственно, следует учитывать различие диэлектрических характеристик сухой древесины, а также свободной и связанной воды в древесине [14].
Целью данной работы является разработка новых подходов к уточнению ОТР на основе зависимостей диэлектрических характеристик веток и листвы деревьев от объемной влажности, а также поиск возможных индикаторов дистанционного микроволнового мониторинга леса.
В лабораторном эксперименте измерены показатели преломления и поглощения свежесрезанных веток сосны и березы при разных значениях W. Подробное описание лабораторной установки и диэлектрических измерений приведено в [13]. Установленные зависимости ОТР от W для разных элементов деревьев учитывают фазовый состав и диэлектрические свойства воды живом дереве. Описанный подход может быть использован при дистанционном микроволновом мониторинге леса.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-17-20041, https://rscf.ru/project/22-17-20041/.