Спутниковые методы определения температуры земли и приземного слоя атмосферы для изучения разливов нефти

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №7 2025

УДК 551.501: 504.064                              

Для определения температуры земной поверхности с использованием данных, полученных со спутника, были разработаны различные методы [1, 2].

Новейшие подходы основаны на тепловых инфракрасных (ИК) данных спутников для измерения температуры как водной поверхности, так и других природных и антропогенных объектов [3–5].

В данной работе описана методика, позволяющая определять не только температуру водной поверхности и различных типов суши, но также температуру атмосферы в приземном слое воздуха, включая участки, покрытые растительностью. Одной из актуальных задач является обнаружение и мониторинг разливов нефти, особенно на морских и прибрежных водах. Нефтяные пленки изменяют тепловые характеристики поверхности воды — они имеют отличные излучательные свойства и, как правило, пониженную температуру из-за нарушения естественного теплообмена. Это позволяет использовать тепловое спутниковое зондирование как эффективный инструмент для выявления зон загрязнения. Методика, изложенная в статье, обеспечивает высокую точность температурных измерений, что позволяет выявлять аномалии, характерные для присутствия углеводородных загрязнений на поверхности воды. При измерениях могут возникать неопределённости, обусловленные нелинейной характеристикой сенсоров, что затрудняет их калибровку. Излучательная способность различных типов поверхности была ранее определена и задокументирована. Однако проблема усложняется при наличии неоднородной поверхности в пределах поля зрения спутникового датчика. В таких случаях необходимо применять два типа поправок: во-первых, атмосферную — для исключения вклада атмосферы в итоговые значения; во-вторых, поправку, связанную с вариативностью излучательной способности самой поверхности. Важно учитывать указанные факторы при анализе загрязнённых акваторий, где характер излучения может существенно отличаться от чистой воды или растительного покрова. Представленный метод демонстрирует высокую точность при определении температуры воды, однородных участков суши, а также температуры приземного слоя атмосферы в зонах с различным ландшафтным покрытием [6, 8, 10].

Методы предполагают, что рассеяние в траектории не из цели, а из других источников несущественно. Это предположение верно для длин волн λ ≥ 8 мкм, за исключением λ > 2 или 3 мм ночью. Далее предполагается, что и распределение и количество рассеивающей и поглотителей в любом вертикальном столбе определенной высоты в рассматриваемой области постоянны. Это приемлемо для небольших участков на расстоянии несколько десятков километров или меньше от взрывов, как например, интенсивного фронта, где нет таких локализованных затемнений, как пыль от взрыва или дым. В этом случае, различие в ослаблении зависит только от различий в длине траектории от дистанционно управляемого летательного аппарата до цели. Это последнее условие используется при определении коэффициента ослабления объема и, следовательно, излучения из атмосферы [2-4].

Излучение Ro, падающее на бортовой датчик, аппроксимируется при помощи уравнения:

Ro = Rа (1 - т) + с Rg т                                      (1)

где Rg — излучения, уходящее с земной поверхности; ϵ — излучательная способность земной поверхности; Rа — излучение промежуточного слоя атмосферы и τ — коэффициент пропускания.

Для описанных здесь простых случаев: τ = exp (-k Z s), где k — коэффициент ослабления объема, Z — вертикальная высота дистанционного управляемого летательного аппарата над поверхностью, s — секанс зенита и надира. k можно определить методом Когана [6, 7], ϵ получают из справочной таблицы, используя в качестве ввода тип поверхности например, песок или вода, за исключением простой формулы для воды при углых надира >50°, Rа определяют с использованием уравнения Планка. Часть излучения из воды или другой относительно гладкой поверхности может состоять из отражённого излучения неба или облака или из обоих. Это дополнительное излучение составляется при добавлении 2 членов в уравнение (1):

R 0 +=R a (1- τ)+ ϵR g τ+(1-ϵ) (2)

Rsτ(1-fϵc)+(1- ϵ) Rc τ τ´ fϵc где Rs — излучение безоблачного неба, направленное вниз, Rc — излучение облака, направленное вниз, ϵc— излучательная способность облака, τ´ — коэффициент пропускания слоя между облаком и земной поверхностью, f — частичный облачный покров.

Rs и Rc вычисляются таким же путём, как и Ra, с использованием соответствующич температур для безоблачного неба и облаков. На Рисунке показаны значимые компоненты R0.

Рисунок. Упрощенное изображение существенных компонентов излучения, падающего на бортовой радиометр R0: 1 - член для испускаемого излучения земной поверхности. 2 - член для излучения, исходящего от промежуточного слоя атмосферы. 3 - член для отражённого излучения неба. 4 - член для отражённого излучения облаков

Эффективная поверхностная температура (Te) часто вычисляется с достаточной точностью при использовании обратного уравнения Планка с λm:

Te͠= C2λm-1[1n(c1π-1λm-5Rg-1]-1                             (3)

Тем не менее, Te полученное при использовании λm широкополосного радиометра или изображающего устройства, особенно с неровной функцией фильтра, может быть недостаточно точно [9, 10].

Для исправления такого положения Rg сравнивается с излучением R, вычисленным с использованием каждого λi при Te, вычисленной с λm:

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №7 2025

R= ^₌₁r iɸiω/5?=i ɸiω (4)

где каждый Ri — излучение, вычисленное для соответствующих λi при Te. Если R превышает Rg на заранее определенное значение. Te уменьшается (увеличивается) на заданное количество b. При предварительных вычислениях для этой статьи a = 0.1, 0.02 Wm-2sr-1, и b = 0.5, 0.1 K. Новое значение Te используется для вычисления новых значений Rg, и результирующее значение R проверяется по Rg. Итерация продолжается до Rg-a

Излучательные способность поверхности основывается на значениях, полученных несколькими авторами [8, 11-15] для нескольких типов земной поверхности. На Таблице приводятся значения излучательной способности для нескольких типов поверхности земли.

Таблица

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ПОВЕРХНОСТИ

Анализ и обсуждение

Вода обладает излучательной способностью 0.98, приемлемые значения для области спектра ИК излучения (2 мкм<λ<15 мкм) при углах до ~50°. Однако, ϵ уменьшается почти экспоненциально при больших углах надира. Следующая формула до >50°аппроксимирует кривую для средней излучательной способности для 2-15 мкм [14, 15]:

ϵ ≈ 1 - {2,7exp [0.09(ⴂ- 50)] - 0.7} / 100

Эта формула верна для ровной или почти ровной водной поверхности. Некоторые данные предполагают несколько другие кривые и показывают изменение связи для разных длин ИК волн [11, 14]. Эта формула была выбрана для избежания ненужного усложнения, и для ⴂ менее ~60 или 65°, различия в кривых несущественны. По мере того, как поверхность становится грубее, ϵ увеличивается. При скорости ветра ~6-8 м/сek-1, ϵ достигающим 0.8 у горизонта по сравнению с ϵ ≈ 0 для ровной горизонтальной поверхности. Для больших углов надира (>55°) отражение излучения от неба или облаков становится существенным. Кроме того, отраженное излучение облака может повысть общее значения отражения от поверхности, так что оно приближается к излучению от вертикальной проекции [15], если пренебречь разницами в атмосферном ослаблении. Излучение неба меньше и, поэтому, мало прибавляет к общему излучению, кроме как при больших углах надира (> 700 ). Поверхность, покрытая деревьями и другие неровные поверхности, представляют собой дополнительные трудности. Большая часть отраженного излучения исходит от других частей того же объекта ϵ, (например, других листьев на том же дереве) или других близлежащих объектов на поверхности (например, других деревьев). Брэдберн и др. представили данные, показывающие, что измеренная радиационная температура деревьев и травы находится в пределах IК истинных приземных температур, измеренных термопарой. Таким образом, конечный результат испускаемого и отраженного излучений при почти той же температуре состоит в том, чтобы сделать объект, обладающий излучательной способностью, близкой к 0 [16].

Излучательная способность низких сельскохозяйственных культур находится в пределах от 0.98 до 1.00. Тесная связь между температурами деревьев и травы предполагает, что температурa атмосферы на поверхности или около поверхности можно получить по ИК данным изображающего устройства дистанционно управляемого летательного аппарата. Поле зрения радиометра должно быть достаточно узким для того, чтобы охватить один тип поверхности, как, например, луг, тесная группа деревьев или культивированное поле.

Необходимые датчики (ИК изображающее устройство или радиометр и датчик температур) были правильно калиброваны. Тем не менее, правильная калибровка может оказаться затрудненной или невозможной. Это может значительно осложнить абсолютные измерения, и если характеристика со временем изменяется, это также может уменьшить точность относительных значений. Несмотря на все перечисленные здесь проблемы, измерение поверхностной температуры с достаточной точностью возможно при использовании данных ИК изображающего устройства. Большинство ошибок в Te незначительны (несколько десятых степени) для многих однородных поверхностей при обычных атмосферных условиях (например, без осадков). Опубликованные сравнения предполагают, что для определенных поверхностей, как например, вода или трава, можно достичь абсолютной точности, приближающейся до ±1К.

Итак, описан простой метод определения температуры поверхности и температуры атмосферы вблизи поверхности, который использует радиационные данные бортового изображающего устройства или другого радиометрического прибора, работающего в тепловой инфракрасной (ИК) области спектра. Метод учитывает атмосферное ослабление, излучательную способность земной поверхности, отражённое излучение облаков и безоблачного неба, а также чувствительность датчика.

Полученные ранее экспериментальные данные свидетельствуют о том, что температурa поверхности воды или других типов земной поверхности, излучательная способность которых хорошо известна, может быть определена с точностью до ±1 K. В случаях, когда излучательная способность поверхности неизвестна или варьируется в пределах поля зрения, точность измерений может существенно снижаться. Однако для участков, покрытых растительностью, данный метод позволяет оценить температуру атмосферы на уровне высот растительности также с точностью до ±1 K.

Особую значимость метод приобретает при мониторинге и обнаружении разливов нефти. Нефтяные пленки на поверхности воды изменяют её тепловые и оптические характеристики, снижая уровень теплового излучения по сравнению с чистой водой. Благодаря этим особенностям, даже простой тепловой радиометр, установленный на беспилотном летательном аппарате или легком пилотируемом воздушном средстве, способен обнаружить зоны загрязнения. В условиях затруднённого доступа или необходимости оперативного реагирования дистанционные ИК-методы представляют собой эффективный инструмент для экологического мониторинга нефтяных загрязнений.

Таким образом, использование теплового зондирования не только способствует точному определению температуры, но и служит важным компонентом системы раннего предупреждения и оценки последствий аварийных разливов нефти на морских и прибрежных территориях. Этот подход может быть особенно полезен при проведении полевых исследований в труднодоступных районах, а также при реализации программ по экологическому мониторингу, в том числе с целью оценки последствий аварий на нефтепроводах, платформах или танкерах.