Системы измерения дальности. Лазерное профилирование, страница 6

Метод лазерной радиолокационной альтиметрии широко применяется в топографии поверхности океана. Особенности физических явлений в океане, связанных с большой его протяженностью (приливы и отливы, поверхностные гравитационные волны и пр.), будут рассмотрены ниже. В целом они описываются термином геоид. Это постоянный гравитационный потенциал, который имеет эллипсоидную форму. Самая короткая ось этого эллипсоида проходит вдоль полярной оси Земли, а сам эллипсоид симметричен относительно этой оси. Геоид отличается от этого эллипсоида на 100 м. Эти отличия вызваны изменением плотности мантии Земли и литосферы, а также изменениями в топографии твердой поверхности Земли. Определение геоида, таким образом, очень важно для определения структуры Земли, ее гравитационного поля, а также для точного определения орбит спутников (см. гл. 10).

Как уже упоминалось, постоянные изменения геометрии поверхности океана требуют применения среднестатистических методов расчета параметров по многократным измерениям. Такие методы позволяют уменьшить влияние зависимости значений параметров от времени. Однако такие строго периодические явления, как приливы и отливы, не подлежат среднестатистическим методам определения параметров. К таким явлениям применяется понятие временной изменчивости. Подробнее это будет рассмотрено в п. 10.3.4.5.

На рис. 8.16 представлена визуализация глобальной поверхности океана, построенная на основе данных, полученных лазерным радиолокационным альтиметром, установленным на спутнике ERS-1. Четко различимы топографические изменения поверхности океана в широком диапазоне. Например, можно различить впадину Кермадес в нижнем левом углу рисунка. Типичные впадины поверхности океана имеют размеры 10 м по высоте и 200 км по ширине.

При проведении топографических исследований учитываются океанские течения, из-за которых происходят устойчивые изменения поверхности океана. В северном полушарии поверхность потока воды движется с постоянной скоростью v относительно поверхности Земли. Причем они отклоняются в северном полушарии по большей части вправо, а в южном полушарии по большей части влево. Угол отклонения определяется по формуле:

где ___________, — угловая скорость вращения Земли, _________— широта, g — сила гравитационного поля. Это явление, называемое геострофическим равновесием, обусловлено силой инерции Кориолиса. Например, скорость Гольфстримa составляет 2 м/с, и на северной широте 45° отклонение течения равняется 0,00002 рад, что достаточно мало. Однако типичные течения с шириной 100 км вызывают разницу по высоте поверхности течения около 2 м (рис. 8.16).

8.3.4.2. Неровности морской поверхности

Чувствительность систем наблюдения за поверхностью океана была рассмотрена в п. 8.3.3. Для определения состояния поверхности океана используются в основном радиолокационные альтиметры. Самый простой и наиболее широко применяемый метод измерений неровностей поверхности океана — это измерение значащей высоты волны _______________ — высоты волны на 1/3 от гребня волны:

Значащая высота волны определяется скоростью ветра и может быть использована для определения ее. Следует отметить, что значащая высота волны зависит также от нагона волны, который определяется расстоянием до суши, и от продолжительности ветра (времени, в течение которого дует ветер в этом направлении и с этой силой). При больших значениях нагона волны и продолжительности ветра скорость ветра и значащая высота волны находятся в зависимости:

где ____________ — скорость ветра на высоте 10 м от поверхности. Скорость ветра определяется с точностью до ± 2 м/с.

Следует отметить, что измерение значащей высоты волны используется при топографии поверхности океана. Кроме того, эта величина влияет на коэффициент рассеивания поверхности. Вклад значащей высоты волны в рассеивание составляет 2—3 %, и это явление называется отклонением рассеивания из-за волнения моря.

8.3.4.3. Топография земной поверхности и ледников