В этом разделе представлены краткие сведения об экспериментах, результаты которых были использованы нами для определения оптических параметров протяженной облачности. Это наземные измерения с применением спектральных приборов [25,35,107,108] и данные измерений прибора POLDER со спутника ADEOS [109,110].

Наземные измерения

Наземные эксперименты включали в себя спектральные измерения интенсивности пропущенной солнечной радиации для нескольких углов визирования. Условия проведения наземных экспериментов приведены в таблице 3.3. Наземные измерения в экспериментах 11 и 12 проводились с помощью спектрометра [25] на дрейфующей станции СП-22 (широта =85°с.ш.) в случае сплошной слоистообразной облачности (11: 13.08.1979; 12: 08.10.1979) и в отсутствие облачности (16.06.1979) [35]. Несмотря на то, что измерения выполнялись для диапазона длин волн 0,35-0,96мкм с разрешением 0,001мкм, были обработаны только данные по 11 точкам в каждом спектре. В таблице показаны также значения косинуса зенитного угла Солнца, географическая широта и альбедо подстилающей поверхности. В 8 и 9 колонках представлены значения оптических параметров, полученные в гл. 7. Измерения яркости неба в безоблачных условиях дали возможность осуществить калибровку прибора в единицах потока радиации, падающего на верхнюю границу атмосферы. Высота нижней и верхней границ слоя осталась неизвестной, так же как и толщина слоя.

Для интерпретации данных измерений необходимо знать альбедо подстилающей поверхности, спектральные значения которого были определены в условиях той же экспедиции для разных состояний снежного покрова (свежий снег, снег с водой, сырой фирн и т.д.), измеренные авторами работы [35]. Альбедо поверхности имеет слабую спектральную зависимость. Подстилающая поверхность в эксперименте 11 была представлена мокрым снегом и в эксперименте 12 – свежевыпавшим снегом. Измерения яркости неба в эксперименте 13 в условиях сплошной оптически толстой облачности были описаны в работе [108] и выполнены 12 апреля 1996г. в г. Петродворце с крыши Академической гимназии Санкт-Петербургского Университета, с использованием спектрометра, сконструированного на матрице фотоприемников с зарядной связью (ФПЗС) авторами работы [107].

Таблица 3.3.

Условия проведения наземных экспериментов.

Применение этого спектрометра позволило регистрировать сигнал в спектральном диапазоне 0,38 – 0,76мкм одновременно для всех отсчетов в спектре. Спектрометр имеет малые размеры, и совместим с компьютером, поэтому удобен при применении в полевых условиях. Методика измерений была описана выше для измерений на СП-22: измерения проводились для пяти значений угла визирования (0°, 10°, 15°, 45°, 65°) и шести направлений азимута с целью контроля однородности и толщины облачного слоя. результаты измерений иллюстрирует рис. 3.22

Спутниковые измерения

Спутниковые измерения отраженной радиации (эксперименты 14-20 в табл.3.4) проводились с борта космического летательного аппарата «АДЕОС» (Advanced Earth Observing Satellite, Япония) с применением прибора «ПОЛДЕР» (Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances, Франция) [109,110]. Искусственный спутник Земли «АДЕОС», был запущен на орбиту 17 августа 1996 г. в космическом центре Танегашима (полуостров Кагошима) с целью мониторинга глобальных изменений свойств окружающей среды, таких, как морские метеоусловия, содержание атмосферного озона и парниковых газов. Спутник, представлял собой модуль с одним крылом солнечных батарей, размеры модуля 4*4х5м, размер крыла 3*26м и вес спутника 3,5т) и передавал информацию с 26 ноября 1996 г. до 30 июня 1997г. Спутник был стабилизирован по трем осям на солнечно-синхронизованной орбите высотой около 800км с наклонением около 98,6° и периодом обращения около 101мин. Измерения проводились приблизительно в 10:15-10:45 местного солнечного времени.

Рисунок 3.22. Результаты измерений интенсивности пропущенной солнечной радиации в случае сплошной облачности, выполненных 12 апреля 1996 г. в относительных единицах

Прибор «ПОЛДЕР» состоит из трех основных частей: матрицы фотоприемников с зарядной связью (ФПЗС) в качестве приемника, вращающегося колеса, несущего поляризационные и спектральные фильтры и телецентрического оптического устройства с фокусным расстоянием 3,57мм и с максимальным полем зрения 114° [109,110]. Матрица ФПЗС составлена из 242х274 независимых чувствительных элементов. Размер матрицы составляет 6,5*8,8мм и согласуется с отношением фокусных расстояний линз, что соответствует полю зрения вдоль полета спутника ±43°, поперек полета спутника ±51° и по диагонали ±57°. Матрица ФПЗС оборудована специальным устройством, которое предотвращает искажение изображения. Спектральный диапазон чувствительности матрицы ФПЗС находится в пределах 400 – 1050нм.

Таблица 3.4.

Условия проведения спутниковых экспериментов

Вращающееся колесо со стабильным периодом вращения 4,9 секунды содержит интерференционные фильтры и поляризаторы, которые выделяют спектральные участки и направления поляризации. Колесо имеет 16 щелей, одна из них закрыта и предназначена для измерения темнового тока приемника. Оставшиеся 15 щелей содержат 6 неполяризованных и 9 поляризованных фильтров. Таким образом, прибор «ПОЛДЕР» обеспечивает измерения в 9 спектральных участках, а три участка служат также для измерения характеристик поляризации.

Данные измерений передавались для обработки в Национальный центр космических исследований Франции, где они обрабатывались. Детальное описание окончательных результатов измерений можно найти в работах [109,110]. В течение полета спутника над участком поверхности весь набор пикселей изображения остается в поле зрения прибора, и прибор производит от 6 до 14 измерений в каждом спектральном канале, что позволяет получить измерения отраженной интенсивности в нескольких направлениях от всех наблюдаемых пикселей в поле зрения спутника. Для дальнейшей обработки были использованы данные в трех спектральных участках 443, 670 и 865нм. Отраженная интенсивность дана в относительных единицах потока, падающего на верхнюю границу. В массиве данных также указаны зенитный угол Солнца, направления визирования (от 6 до 14) и балл облачности для каждого пикселя.

Информация о данных спутниковых измерений, использованных далее для обработки приведена в табл. 3.4. Для экспериментов 14-20 в столбцах 8 и 9 приведены значения параметров, характерные для большинства пикселей спутникового изображения. Заметим, что изображения 14 и 15 представляют одно поле облачности, так же как и изображения 16-18.