Исследование морской поверхности с помощью метода нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии

В работе приведены основные положения новой методики дистанционного измерения параметров спектра гравитационно-капиллярного волнения (ГКВ) на морской поверхности с использованием уникальных возможностей нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС). Метод НРРС разработан для определения статистических параметров морского волнения с помощью угловых поляризационных радиометрических измерений восходящего микроволнового излучения на основе детального исследования механизма резонансного излучения электромагнитных волн от шероховатой поверхности.
Физический подход, использованный в НРРС, основан на том хорошо известном факте, что микроволновая радиояркостная температура взволнованной морской поверхности зависит от температуры воды и ее излучательной способности, которая, в свою очередь, зависит от диэлектрической проницаемости воды и геометрии поверхности (волн различных масштабов). Когда типичный период поверхностных неровностей становится сравнимым с длиной волны электромагнитного излучения, возникает сложная зависимость теплового излучения от длины волны, поляризации и угла зондирования. В частности, появляется максимум в тепловом излучении при условии, что удовлетворяются необходимые резонансные условия. Наличие резонансов в тепловом излучении взволнованной морской поверхности делает возможным восстановление двумерного пространственного спектра в гравитационно-капиллярном интервале по поляризационным угловым измерениям. При использовании радиометрических измерений в сантиметровом и миллиметровом диапазоне удается восстанавливать спектр волнения в диапазоне длин волн от 0,2 до 15 см.
Обратная задача решается с разделением на «короткие» и «длинные» волны. Длинные волны характеризуются одним параметром - среднеквадратичным уклоном, а электродинамическое описание вклада этих волн проводится на основе метода Кирхгоффа. Вклад мелкомасштабных компонент рассчитывается по формулам, полученным ранее с использованием метода малых возмущений. Методика регуляризации при решении интегрального уравнения показала, что спектр гравитационно-капиллярных волн определяется при использовании измерений на вертикальной и горизонтальной поляризациях в диапазоне углов наблюдения 0-70 градусов. Важной особенностью методики является отсутствие требования абсолютных измерений значений радиояркостной температуры. Решение обратной задачи проводится без каких-либо априорных предположений о виде спектра.
Экспериментальные работы проводились с 1998 года на побережье Черного моря на пирсе Южного отделения Института океанологии РАН в г. Геленджике и на морской платформе в п. Кацивели (Крым, Украина). Измерения осуществлялись с помощью радиометров-поляриметров с рабочими длинами волн от 0,3 до 27 см, установленных на автоматизированной поворотно-сканирующей платформе. Контроль влияния на параметры морского волнения ветровой компоненты осуществлялся посредством двух метеорологических комплексов, установленных на высотах 3,5 и 7,0 метров от уровня моря. Использование нового метода НРРС позволило детально исследовать динамику радиометрического отклика в условиях переменного ветра, определить спектр кривизны гравитационно-капиллярных волн и среднеквадратичный уклон крупных волн. Полученные результаты могут использоваться для интерпретации спутниковых данных и разработке новых алгоритмов определения параметров морской поверхности по многоканальным радиометрическим измерениям с аэрокосмических носителей.