Электрооптические системы. Инфракрасные системы формирования изображения (VIR), страница 7

Регистрация облачности

Регистрация облачности необходима в случаях наблюдения за поверхностью Земли. Регистрируемые с помощью TIR-изображений облака удаляются в VIR-изображениях. Это чаще всего делается автоматически — система наблюдения за поверхностью Земли использует комбинацию изображений для получения достоверных сведений.

Яркостная температура облака приблизительно равна температуре вершины облака и, следовательно, температуре атмосферы на уровне вершины облака. Вершина облака обычно холоднее других слоев, поэтому обладает более высоким коэффициентом отражения (см. п. 3.4.1). Таким образом, самый простой алгоритм регистрации облаков заключается в выявлении светлых пикселей на VIR-изображениях и холодных пикселей на TIR-изображениях. С помощью изображений в тепловом инфракрасном диапазоне можно получить более детальную информацию об облаках (см. гл. 11). На рис. 6.13 представлены образцы VIR- и TIR-изображений облаков, применяемых в системе регистрации облачности.

Температура морской поверхности

Информация о температуре морской поверхности (SST) очень важна в метеорологии, океанографии и климатологии. Так как излучательная способность морской воды хорошо известна (равна 0,993 на длине волны 10 мкм), то SST определяется напрямую. Единственной проблемой при этом является влияние атмосферы (см. п. 6.3.6). Погрешность может составлять от 5 до 10 К.

Следует отметить одну потенциальную проблему: TIR-изображение регистрирует температуру слоя толщиной 0,02 мм или меньше, а в океанографии «поверхностью» называется слой в несколько сантиметров. Как известно, физическая температура этого слоя меняется на 1 К с каждой десятой миллиметра. Причем это изменение может быть и положительным, и отрицательным в зависимости от охлаждения за счет испарения и солнечного нагрева.

На рис. 6.14 представлена карта температуры морской поверхности, полученная с помощью TIR-изображения.

Тепловая инерция

Как известно, поверхность Земли нагревается солнцем неравномерно — в зависимости от сезона и времени суток. Амплитуда изменения температуры поверхности Земли зависит от комбинации физических свойств материала на поверхности Земли, которая называется тепловой инерцией. Следовательно, зная амплитуду изменений температуры поверхности Земли, можно получить информацию о ее составе. С этой целью создаются карты тепловой инерции.

Предположим, материал поверхности Земли является однородным с бесконечной глубиной: от z = 0 на поверхности до z = + . Предположим также, что нагрев распространяется только в вертикальном направлении.

Термальное поведение материала описывается уравнением теплопроводности:

где F — вектор теплообмена, К — теплопроводность, а Т — температура. Теплоемкость материала определяется по формуле:

где С — удельная теплоемкость,  — плотность, t — время. В соответствии с вышеизложенными условиями эти уравнения упрощаются:

Если предположить еще, что временные зависимости теплообмена и температуры являются синусоидальными с угловой частотой , а амплитуда теплообмена на поверхности _________________, то получаем:

где тепловая инерция определяется как:

Уравнения (6.8) и (6.9) показывают, что и теплообмен F, и температура Т изменяются как экспоненциально затухающие синусоидальные волны. Скорость, с которой волны распространяются в глубь земли, определяется по формуле:

А глубина, на которой амплитуда волн уменьшается на фактор е, равна:

Кроме того, отношение амплитуды изменения поверхностного теплообмена к амплитуде изменения поверхностной температуры равно______________. А запаздывание изменения температуры от изменения теплообмена составляет _______________ радиан, или восьмую часть цикла. Таким образом, основываясь на этой простой модели, можно сделать вывод, что температура поверхности Земли будет максимальной в 3 часа дня и минимальной в 3 часа ночи.