Исследование участка наледи на реке Смоленка (Забайкальский край) в микроволновом и ИК диапазонах

В различных районах Земли, в которых температура воздуха принимает отрицательные значения, нередко образуются наледи. Наледи распространены в России, Канаде, Японии (Алексеев, 1987). Поскольку наледи возникают при периодическом выходе на поверхность и замерзании грунтовых вод или речной воды, вытесняемой донным льдом, они представляют собой слоистые образования (Скрыльник, 2018). Толщина наледей составляет от нескольких миллиметров, до нескольких сот метров. Они могут оказывать негативное влияние на технические сооружения, дорожные покрытия и инфраструктуру регионов (Стручкова и др., 2020; Turcotte et al., 2023). В связи с этим их исследование и мониторинг являются актуальными задачами.
Исследования наледей осуществляется как прямыми измерениями – взятием проб, так и дистанционными методами мониторинга. Дистанционные исследования помогают решить такие проблемы изучения наледей как труднодоступность, небезопасность (наличие воды под относительно тонким слоем льда), а также повысить частоту измерений динамически изменяющихся объектов по сравнению с контактными методами. Так как наледь представляет собой слоистую структуру, то существуют некоторые уникальные ее свойства в микроволновом диапазоне (Козлов, Гурулев, 2023). В настоящей работе рассмотрены возможности микроволновой радиометрии для исследования наледей с небольшого расстояния для повышения разрешения.
Для исследования излучательных свойств наледи был выбран участок наледного образования на реке Смоленка (Забайкальский край), свободный от растительности, с размерами 4×19 кв. м, расположенный вблизи береговой зоны. Верхний слой льда имел толщину ~10 см ниже располагался слой воды толщиной ~15 см, а дальше располагался слой льда. Общая толщина наледи составляла около 50 см. Минерализация верхнего слоя льда составляла в момент измерения ~300 мг/кг. В момент измерения температура воздуха составляла +3 °С.
Для измерения радиотеплового излучения исследуемого участка наледи использовались микроволновые радиометры на длины волн 0,88 см и 2,3 см и инфракрасный радиометр с диапазоном длин волн 8…14 мкм, расположенные на санях под углом наблюдения 45°.
Были выполнены измерения участка наледи по параллельным профилям, в результате чего получена карта распределения радиояркостных температур. Дополнительно на том же исследуемом участке р. Смоленка были выполнены непрерывные измерения быстро изменяющейся структуры наледи при выходе воды на ледяной покров.
Показано, что для наледи характерно проникновение жидкой воды во внутренние слои образования. Это существенно усложняет определение структуры при дистанционных измерениях. Использование микроволнового диапазона позволяет оценить структурные особенности данного объекта. Наледь является относительно быстро изменяющейся во времени структурой, содержащей жидкую и замерзающую воду, что отражается на ее излучательных свойствах в микроволновом диапазоне. Пространственное распределение радиояркостных температур в миллиметровом и сантиметровом диапазонах является взаимодополняющими друг друга характеристиками наледи, позволяющими определять внутреннюю приповерхностную структуру таких образований (минерализация, наличие воды подо льдом и т.п.).
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПРЭК СО РАН по теме: «Электромагнитные характеристики холодной воды, мерзлых сред и совершенствование микроволновых методов дистанционного зондирования вод суши», Рег. № НИОКТР 121032200069-6.