Микроволновые измерения замкнутых природных образований (на примере пещеры Хээтэй в южном Забайкалье)
Microwave measurements of closed natural formations
(on the example of cave Heetey in southern Trans-baikal region)
Бордонский Г.С., Калягина К.А., Крылов С.Д., Орлов А.О.
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита
lgc255@mail.ru
В работе представлены результаты радиозондирования карстовой ледяной пещеры Хээтэй, расположенной в Забайкалье. Свод пещеры исследован методами активной (радарной) и пассивной (радиометрической) радиолокации в сантиметровом диапазоне. Также получена температура свода в ИК-диапазоне. Показана эффективность комплексного использования электромагнитных методов зондирования замкнутого природного образования.
Радиозондирование широко используется при исследовании поверхности Земли и подповерхностных образований [1] c использованием авиации и искусственных спутников Земли. Вместе с тем, в природе существует особый класс объектов, изучение которых дистанционными методами представляет интерес для различных сфер деятельности – это полости внутри Земли. В работе [2], например, была выполнена тепловая съемка карстовой ледяной пещеры Хээтэй, расположенной в южных районах Забайкальского края недалеко от с. Усть-Борзя в горном массиве известняка. При этом аппаратура размещалась внутри пещеры. Измерения были выполнены в мае 1990 г. с использованием радиометра ИК-диапазона в участке длин волн 8-12 мкм.
Цель данной работы – проведение радиолокационного исследования замкнутого природного образования (пещеры Хээтэй). В настоящее время имеются малогабаритные высокочувствительные микроволновые радиометры, а также радары, которые позволяют проводить разноплановые измерения, в том числе, и в пещерах. Поэтому, в настоящей работе, кроме ИК-радиометра использовали СВЧ-радиометр и малогабаритный импульсный радар на длины волн трехсантиметрового диапазона. Радиометры разработаны в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН. Радар разработан в Институте сильноточной электроники СО РАН.
Наряду с СВЧ и ИК-измерениями для уточнения размеров объекта использовали лазерный дальномер. Чувствительности радиометрических приемников находились на уровне 0,01 К при постоянной времени 1 с.
Повторные температурные измерения позволяют, в принципе, определить эволюцию данной мерзлотной структуры. Для этого желательно проводить измерения в определенные моменты времени в течение года. Это было сделано 28 мая 2010 г., что близко по дате в годовом цикле к прежним измерениям.
При исследованиях приборы устанавливались на поворотном устройстве на дне ледяной пещеры в ее центральной части. Расположение приборов представлено на (рис. 1).
Измерения выполнялись путем сканирования по своду пещеры при изменении углов наблюдения и азимута. Угол зрения радиометров составлял значение около 10º, радара – 2º. При максимальном размере карстовой пещеры у основания 60 м и высоте свода ~30 м диаметр исследуемого пятна при тепловой съемке – около 10 м. Для радиолокатора это значение порядка 1 м.
Рис. 1. Схема расположения приборов при исследовании пещеры Хээтэй:
а) расположение приборов при измерениях температуры и радиолокационных характеристик в пещере Хээтэй; б) горизонтальное сечение объекта.
1 – приборы; 2 – вход в пещеру; 3 – площадь поверхности, с которой принимается сигнал.
Радиотепловые измерения в полости имеют свои особенности. Изменение яркостной температуры ΔТя может быть представлено следующей формулой [2].
ΔТя = (Т0-Тф)Δk+kΔТ0+(1-k)ΔТф,
где Т0 – локальное значение термодинамической температуры поверхности в диаграмме антенны, Тф – фоновая температура излучения (интегральная внутри полости и связанная с падающим на обмеряемую площадку излучением), k – коэффициент излучения исследуемой площадки. Знак Δ означает приращение величин от среднего значения при данных углах наблюдения и азимута.
Другой особенностью используемого метода является то, что ИК-излучение формируется тонким поверхностным слоем ~20 мкм, в то время как тепловое излучение в сантиметровом диапазоне формируется в слое от единиц метров (для пресного льда) до десяти сантиметров (для увлажненных горных пород). Данная особенность позволяет получить более полную информацию о тепловых потоках в пещере. Радарная съемка позволяет выявить крупные неоднородности свода пещеры и подповерхностные образования по картине отражения: мощности рассеянного сигнала и его запаздывании.
Результаты радиолокационных измерений могут быть представлены в виде цветной или черно-белой карты распределения радиояркостной температуры по своду пещеры или в виде профилей интенсивности рассеяния при радарной съемке и распределения радиационных температур. На рис. 2, 3 представлены карты распределения температур вид сверху (радиационной для ИК-радиометра (рис. 2) и радиояркостной для СВЧ-радиометра (рис. 3).
На картах распределения светлые участки соответствуют более высокой температуре, темные — более низкой. Распределение радиационной температуры в ИК-диапазоне в большей части пещеры равномерно. Изменения в большей степени наблюдаются у входа в пещеру. Более высокая температура вблизи от входа связывается с притоком тепла через стену, толщина которой в данной области меньше по отношению к другим областям. Это подтверждается и распределением радиояркостной температуры для СВЧ-радиометра. По той же причине в СВЧ-диапазоне наблюдается высокая температура вершины свода. Однако радиационная температура в ИК-диапазоне на этом участке практически не отличается от соседних, это связано с движением воздуха. Немного севернее вершины купола в обоих диапазонах наблюдается рост температуры, который также был обнаружен в работе [2]. Скорее всего, в данной области присутствует приток теплого воздуха.
Рис. 2. Значение яркостной температуры в ИК-диапазоне свода пещеры Хээтэй.
1 - вход в пещеру.
Рис. 3. Значение яркостной температуры на длине волны 2,3 см свода пещеры Хээтэй.
1 - вход в пещеру.
Понижение температуры в двух диапазонах можно сопоставить с движением воздуха из пещеры по каналу, соединяющему ее с внешней средой. В этом случае происходит охлаждение поверхностных слоев льда из-за испарения на глубину до десятков сантиметров. Это можно наблюдать в районе входа в пещеру, а также у перехода из данной пещеры в соседний грот (северо-западное напрвление)
Результаты радарных измерений приведены на (рис 4 а, б, в).
Графики приведены для фиксированных значений Θ и γ и представляются в виде зависимостей принимаемой мощности от времени. Импульс, обозначенный стрелками, является опорным (начало отсчета, когда радар излучает импульс). Время от начала отсчета характеризует расстояние, пройденное зондирующим импульсом.
На графиках виден отраженный от стенок пещеры зондирующий сигнал: на (рис. 4 а) – одиночный импульс, на (рис. 4 б, в) – множественные импульсы. По-видимому, множественные отражения связаны с существованием внутренних слоистых структур – полостей в стенах пещеры, слоев грунта с различным увлажнением. Возможно, в некоторых случаях, отражение наблюдается от поверхности раздела массива горы с воздушной средой. Например, два характерных пика на (рис. 4 б), отмеченных крестиком, можно отождествить с полостью внутри стены пещеры. Множественные отражения, наблюдаемые на (рис. 4 в) связываются со сложной слоистой структурой в верхней точке купола пещеры.
Рис. 4. Результаты радарных измерений свода пещеры на длине волны 3 см
в пещере Хээтэй при γ=120° а) Θ = 90°; б) Θ = 45°; а) Θ = 0°.
Кроме того, были выполнены измерения размеров образования с использованием лазерного измерителя, по которым строилась модель свода, а также взяты пробы поверхностного слоя льда дна пещеры.
Таким образом, выполненное комплексное исследование карстовой пещеры Хээтэй с использованием метода пассивной радиолокации (СВЧ-радиометрии, активной локации (радарная съемка) и измерений теплового излучения в средней части ИК-диапазона позволило получить дополнительную информацию о состоянии объекта.
Литература:
1. Рис У. Основы дистанционного зондирования. М.: Техносфера. 2006. – 336 с.
2. Бордонский Г.С. Тепловое излучение замкнутых природных образований // География и природные ресурсы. – 1999. – №4. – С.110-112.
ОПЫТ ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТА НА ПРИРОСТ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ВОСТОЧНОМ ЗАБАЙКАЛЬЕ
С СЕРЕДИНЫ XX СТОЛЕТИЯ
Вахнина И.Л.
Институт природных ресурсов экологии и криологии СО РАН, г. Чита
vahnina_il@mail.ru
Рассмотрена ширина годичных колец древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях с дефицитом осадков с учетом повышения среднегодовых температур на территории Восточного Забайкалья.
Ежегодный прирост годичных колец древесного растения обусловлен целым комплексом взаимосвязанных процессов (фотосинтез, поглощение воды и минеральных веществ, транспирация, дыхание и др.) функционирование которых напрямую зависит от целого ряда внешних и внутренних факторов. В связи с этим, абсолютные значения годичных радиальных приростов несут в себе комплексную информацию о колебании условий за период роста. Данные, полученные путем измерения размеров ширины годичного кольца, используются для различных таксационных, лесохозяйственных, экономических и других целей. В дендрохронологических же исследованиях оценивается информация о погодичной изменчивости только внешних факторов, ведущими из которых являются климатические. Они вычленяются с помощью специально разработанных методов стандартизации.
На территории Восточного Забайкалья систематических работ по анализу ширины годичного кольца и пределах его варьирования в зависимости от различных факторов не проводилось, несмотря на обширные данные, собранные по всей территории России. Хронологии, полученные ранее для соседних регионов, не могут быть использованы для характеристики нашего региона в связи с особенностями его климатических и орографических условий. Из этого вытекает необходимость создания дендрохронологических шкал естественной изменчивости радиального прироста в лесорастительных условиях Восточного Забайкалья, использование которых создаст базу для последующего экологического мониторинга состояния лесных экосистем.
Участок исследования расположен в лесостепной зоне в средней части Читино-Ингодинской впадины и на отрогах хребта Черского, в 20 км к северо-востоку от г. Читы (52° 11´ с.ш. 113° 31´ в.д., 654 м н.у.м.).
Климат характеризуется как резко континентальный с большими годовыми и суточными амплитудами температуры воздуха. Характерно циклическое чередование засушливых и влажных периодов. Средняя годовая температура воздуха составляет –2,7оС. Количество осадков в среднем за год – 300-360 мм, в отдельные засушливые годы среднегодовые осадки снижаются до 170-150 мм. По временам года осадки распределяются неравномерно. В холодный сезон выпадает всего 5-10%, в теплый – 90-95% годовой суммы осадков, большая часть которых приходится на июль – август (45-60% годовой нормы и более). Вегетационный период (с мая по сентябрь) подвержен засухе. По гидротермическому показателю увлажнения (отношение суммы осадков к сумме средних суточных температур за определенный период), величина которого в наиболее сухой месяц июнь равна 0,8-1,0, эта территория относится к очень засушливой зоне [1]. Период камбиальной активности в среднем составляет четыре месяца. Пробуждение камбия начинается в первой половине июня и заканчивается формированием годичного слоя в первой декаде сентября [2].
Сосняк рододендрово-травяной IV класса бонитета, на котором отбирались модельные деревья, по лесорастительным и таксационным характеристикам является одним из репрезентативных для произрастания сосны обыкновенной на исследуемой территории. Полнота насаждения составила 0,6. Возраст деревьев колеблется в пределах V-VI класса. Средняя высота древостоя 24 м, средний диаметр 35 см. Почвы относятся к мерзлотно-таежному типу, сухие по степени увлажнения, легкие по механическому составу. Грунтовые воды залегают на глубинах 5-7 м.
Образцы для измерений ширины годичного кольца отбирались возрастным буравом в виде кернов с живых деревьев на высоте 1,3 м согласно методическим указаниям [3]. Подготовка к измерениям, измерения и последующий анализ были выполнены в лаборатории структуры древесных колец ИЛ СО РАН (г. Красноярск). Подготовительный этап заключался в закреплении кернов на деревянном держателе, зачищении и контрастировании их поверхности, предварительной разметке календарных дат. Такая обработка позволяет лучше различать границу между годичными слоями и позволяет избежать ошибок при измерении. Предварительная перекрестная датировка кернов позволяет выявить опорные минимумы прироста, с помощью которых на керне выявляются выпавшие или ложные кольца. Определение ширины годичных колец проводились на автоматизированной установке Lintab 3 с точностью 0,01 мм. Полученные индивидуальные кривые изменчивости прироста визуально перекрестно датировались с помощью графического пакета TSAP [6]. Окончательная правильность датировки проверялась с помощью специализированной программы cofecha. Абсолютные значения ширины годичных колец стандартизировались в программе ARSTAN [4] с помощью функций, которые преимущественно убирают возрастной тренд, таким образом, выявляя климатический сигнал. В нашем случае, использовалась сплайн-функция. Далее стандартизированные индивидуальные серии усреднялись для получения обобщенной (локальной) стандартной древесно-кольцевой хронологии. На всех этапах осуществлялась многократная статистическая проверка с контролем набора параметров, подтверждающих качество построенных рядов древесно-кольцевой хронологии. Для выявления климатических факторов, лимитирующих прирост годичных колец в конкретных условиях произрастания, проводился сравнительный анализ стандартной хронологии со среднемесячными значениями температуры и осадков за гидрологический год.
Таким образом, для участка исследования получена обобщенная стандартная хронология, возраст исследуемых деревьев составил от 81 до 163 лет. Рассматриваемый интервал (1950-2007 гг.) интересен тем, что с 60-х годов прошлого столетия отмечается рост среднегодовых температур и, по данным других исследований, это приводит в смене факторов, лимитирующих прирост древесных растений. В нашем анализе использовано 2 вида данных: данные первичных измерений радиального прироста (абсолютные величины ширины годичных колец) и индексы обобщенной древесно-кольцевой хронологии, которые максимально сохраняют климатически обусловленные изменения радиального прироста деревьев (рис. 1).
Рис. 1. Хронологические изменения ширины годичных колец сосны обыкновенной
(raw – абсолютные значения, мм; std – стандартная хронология, индексы).
При рассмотрении результатов первичных измерений за период с 1950 по 2009 гг. ширина годичных колец варьирует от 0,4 мм (1978 г.) до 2,4 мм (1952 г., 1984 г.), при среднем значении 1,3 мм. Выделяются годы с минимальными значениями прироста: 1965, 1973, 197-1979, 1987, 1999, 2003, 2007, 2008.
Анализ традиционных дендрохронологических показателей свидетельствует о хорошем качестве построенной хронологии и возможности ее использования для дальнейшего анализа. EPS (чувствительность древесно-кольцевой хронологии к изменению внешних факторов) = 0,99-0,96; RBAR (рассчитывающий среднее значение коэффициента корреляции между отдельными древесно-кольцевыми сериями) = 0,65-0,83. Реакция сосны на климатические факторы оценивалась функцией отклика, которая представлена коэффициентами корреляции между индексами прироста и значениями среднемесячных температур и осадков за гидрологический год (с сентября предыдущего года по сентябрь текущего). Помимо этого, для расчета климатических функций отклика мы использовали пошаговую множественную регрессию с включением независимых переменных, так как она позволяет выявить наиболее информативные климатические переменные. Использовались климатические данные наиболее близко расположенной к району исследований метеорологической станции г. Чита.
Расчет коэффициента корреляции (рис. 2) для стандартной древесно-кольцевой хронологии на протяжении всего исследуемого периода показал наличие значимой (при Р<0,05) отрицательной связи с температурами июля (r = -0,31), и положительной связи с осадками сентября предыдущего года (r = 0,43), июня текущего года (r = 0,3) и годовой суммой осадков (r = 0,38).
Рис. 2. Коэффициенты корреляции между стандартной древесно-кольцевой хронологией
и климатическими переменными на интервале с 1950 по 2007 гг., полученные при классическом
анализе функций отклика.
Ниже приведены оценки множественной регрессии стандартной древесно-кольцевой хронологии и климатических показателей с выделением климатических факторов, оказывающих влияние на динамику радиального прироста деревьев (выделены значимые):
|
